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.
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- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.