Perowskitsolarzellen durch Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen Produktion
Die Beschichtung mit Standard-Tinte (links) erzeugt kleine "Rippen" auf der nassen Dünnschicht. Auch nach der Wärmebehandlung und der darauffolgenden Auskristallisierung der Dünnschicht zeigen sich unter dem Rasterelektronenmikroskop deutliche Inhomogenitäten (rechts). © HZB
Mit der optimierten Zusammensetzung der Vorläufertinten wird die Nassschicht nahezu perfekt (links). Die Elektronenmikroskopieaufnahme zeigt: auch der kristallisierte Dünnfilm ist deutlich homogener (rechts). © HZB
Solarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI3-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.
Metallhalogenid-Perowskite gelten als besonders preisgünstige und vielversprechende Materialklasse für Solarmodule der nächsten Generation. Perowskit-Solarzellen können mit Beschichtungsverfahren hergestellt werden, die mit flüssigen Tinten aus Vorläufermaterialien und verschiedenen Lösungsmitteln arbeiten. Im Anschluss an die Beschichtung verdampfen die Lösungsmittel und die Perowskite kristallisieren zu einer im Idealfall homogenen Schicht.
Die Aufskalierung im Blick
Das Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin hat große Expertise mit diesen Verfahren und untersucht Optionen für die Aufskalierung. „Perowskit-Photovoltaik ist die beste lösungsprozessierbare PV-Technologie, die es gibt", sagt Eva Unger, „aber wir fangen gerade erst an, zu verstehen, wie sich das komplexe Zusammenspiel der Lösungsmittelkomponenten auf die Qualität der Perowskit-Schichten auswirkt."
Tinten mit unterschiedlicher Viskosität
Denn bei der Beschichtung der Halogenid-Perowskit-Schichten auf großen Flächen können ungewollte Inhomogeneitäten auftreten, zum Beispiel rippenartige Strukturen. „Durch Variationen in der Viskosität der Tinte lassen sich solche Effekte minimieren“, sagt Jinzhao Li, der bei Unger promoviert. An BESSY II hat er untersucht, wie sich die verschiedenen Lösungsmittelkombinationen auf die Kristallisation der Perowskit-Filme auswirken. Die besten p-i-n-FAPbI3-Perowskit-Solarzellen erreichen damit im Labormaßstab eine zertifizierte Leistung von 22,3 %. Außerdem stellte Jinzhao Li mit Kolleg*innen im HySPRINT-Innovationslabor und dem PVcomB Mini-Solarmodule (12,6 cm2) her die Wirkungsgrade um die 17 % erzielten.
Ein Jahr im Außeneinsatz getestet
Das Team von Dr. Carolin Ulbrich testete die so optimierten Solarzellen ein Jahr lang am PVcomB-Teststand im Freien. Dabei blieb der Wirkungsgrad im Winter und Frühjahr nahezu stabil, und sank erst in den wärmeren Sommermonaten. „Diese Tests von größeren Modulen unter realen Bedingungen geben uns wertvolle Hinweise, um die Halogenid-Perowskit-Photovoltaik weiter zu verbessern“, sagt Eva Unger.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.