Die perfekte Mischung für effiziente Perowskit-Solarzellen

Solarzellen, die das Sonnen­licht so effizient wie Silizium in elektrische Energie umwandeln, sich dabei aber einfach und aus kosten­günstigen Materialien herstellen lassen – für Material­forscher ist das ein lang­gehegter Traum. Dem sind Wissen­schaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin nun ein Stück näher­gekommen. Sie haben ein Verfahren verbessert, mit dem sich günstige Perowskit-Schichten einfach aus Lösungen auf Träger­materien aufbringen lassen. Dabei haben sie nicht nur entdeckt, welch entscheidende Rolle eines der verwendeten Lösungs­mittel spielt, sondern auch die Lager­fähig­keit der Material­tinten genauer unter die Lupe genommen.

Perowskit-Solarzellen „sind die bisher besten Solar­zellen, die sich aus einer Material­tinte herstellen lassen“, erklärt Eva Unger vom HZB. „Und mittler­weile reichen ihre Wirkungs­grade an Zellen aus kristallinem Silizium heran.“ Bisher wurden viele Methoden entwickelt, um kleine Test­zellen im Labor herzu­stellen, dort zu unter­suchen und zu optimieren. Bis zur industriellen Produktion ist es aber noch ein weiter Weg. „Leider lassen sich Verfahren, die für klein­flächige Herstellung optimiert sind, nicht immer skalieren,“ so Unger. Nicht alles, was im Labor perfekt funktioniert, muss auch in der Fabrik wirt­schaftlich funktionieren. „Deshalb gehen wir den nächsten Schritt und entwickeln skalierbare Methoden. Unser Team konzentriert sich auf Beschichtungs­prozesse für größere Flächen.“ Dabei setzen die Forscher von Anfang an auf Verfahren, die ihre Relevanz in der Industrie bereits unter Beweis gestellt haben.

„Wir haben mit Schlitzdüsen-Beschichtung experi­mentiert“, so Unger. Dabei fließt die Tinte, eine dünnflüssige Lösung aus Perowskit-Vorstufe, Lösungs­mittel und Zusatz­stoff, aus einer schlitz­förmigen Düse heraus und fällt wie ein Vorhang auf das darunter entlang­fahrende Glas­substrat der späteren Solar­zelle. Dann setzt die Kristall­bildung ein. Es wächst eine ultra­dünne, halb­leitende Perowskit-Struktur, die der Material­gruppe ihren Namen und der Solar­zelle ihre Fähig­keiten verleiht. Für diesen Prozess ist die genaue Menge Dimethyl­sulfoxid – kurz DMSO – ausschlag­gebend, ein organisches Lösungs­mittel, das Unger als Zusatz­stoff nutzt, denn in der Tinte hat es eine erstaunliche Wirkung. „DMSO induziert Kristal­li­sations­keime für das Perowskit“, sagt die Forscherin. Kristal­li­sations­keime sind meist winzig kleine Körnchen, die einem Kristall als Start­hilfe dienen und sein Wachstum fördern. „Mit unseren Röntgen­beugungs­experi­menten am BESSY II haben wir einen ganz großen Unter­schied zwischen Tinten mit und ohne DMSO-Zusatz gesehen.“

Allerdings spielt hier die Dosis eine entscheidende Rolle. Mehr DMSO begünstigt das Kristall­wachstum – bis zu einer gewissen Grenze. Wird diese über­schritten, treten andere Prozesse in den Vorder­grund und die so entstehende Mikro­struktur schmälert die Leistung der Solar­zellen. Neben der optimalen Zusammen­setzung hat das HZB-Team auch die Alterungs­prozesse und damit die Lager­fähig­keit der Tinten eingehend unter­sucht. „Das ist ein Aspekt, der bisher weniger beachtet wurde“, erklärt Unger. „Das Alter einer Perowskit-Vorläufer­tinte kann die Bau­element­leistung beeinflussen. Das ist ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von Tinten und Prozessen berück­sichtigt werden muss.“

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Li et al.: 20.8% Slot‐Die Coated MAPbI3 Perovskite Solar Cells by Optimal DMSO‐Content and Age of 2‐ME Based Precursor Inks, Adv. Energy Mat. 2021, 2003460 (2021); DOI: 10.1002/aenm.202003460
• Hybrid Materials Formation and Scaling (E. Unger), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH