Forschung

Hocheffiziente Solarzellen dank solidem Fundament

18.07.2019 - Neuer Vakuumprozess soll Perowskit-Photovoltaik aus dem Labor in die Fabriken bringen.

Mit Wir­kungs­graden von über 24 Pro­zent im Labor ge­hören me-tallor­ganische Perow­skit-So­larzellen heute zu den effi­zientes­ten Dünn­schicht­techno­logien der Pho­to­vol­taik. Sie ver­sprechen im Ver­gleich zu den Sili­zium-So­larzellen, die der­zeit den Markt dominie­ren, eine deutlich günsti­gere und einfa­chere Herstel­lung. Wissen­schaftler des Karls­ru­her Insti­tuts für Techno­logie (KIT) ha­ben eine neuar­tige, hoch­effi­ziente Lochlei­ter­schicht aus Ni­ckeloxid entwi­ckelt, die großflä­chig ab­scheid­bar ist und in diesen Solarzel­len zu Rekorde­ffizien­zen führt.

Trifft Sonnen­licht auf den Per­woskit-Absor­ber, lö­sen sich dort Elekt­ro­nen aus ihrem gebun­denen Zustand und wer­den energe­tisch an­geregt. Gleich­zeitig bleiben positiv geladene Fehlstel­len als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der So­lar­zelle ent­nehmen zu kön­nen, müssen diese Elektro­nen und Löcher an un­ter­schiedli­chen Sei­ten des Absor­bers ab­geführt werden. In Perow­skit-So­lar­zellen ge­schieht dies durch se­lektive Ladungs­träger­schich­ten, also Membra­nen, die entwe­der nur die Elekt­ronen o­der nur die Lö­cher pas­sieren lassen“, erklärt Tobias Abzieher, Dokto­rand am Licht­techni­schen Institut (LTI) des KIT. „Da­mit er­fordern effiziente Perow­skit-So­larzellen nicht nur eine Op­timie­rung der lichtab­sorbie­renden Perow­skit-Schicht, sondern auch die­ser la­dungs­trägerse­lektiven Schich­ten.“

Zusam­men mit weiteren Wissen­schaftle­rinnen und Wis­sen­schaft­lern des KIT hat Abzieher eine neu­artige, hocheffi­ziente Lochlei­ter­schicht für Perow­skit-So­larzellen auf Basis von Ni­ckeloxid (NiOx) entwi­ckelt. Diese Schicht ist nicht nur kos­tengüns­tig, son­dern auch im Gegen­satz zu den übli­chen or­gani­schen Materia­lien un­empfind­licher ge­genüber Tem­pe­raturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Sub­strat ab­zuschei­den, nut­zen wir eine Va­kuum­prozess­technik – die Elekt­ronen­strahl­ver­damp­fung. Da­bei lagert sich das Me­talloxid mittels Bedamp­fung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht groß­flä­chig ho­mogen, sowie dank der geringen Anzahl an Pro­zesspara­metern mit gleich­bleibend hoher Qualität herstel­len“, so Abzie­her.

Für voll­ständig vakuum­prozes­sierte Perow­skit-So­larzellen erzielt das Team Wir­kungs­grade von bis zu 16,1 Prozent und de­mons­triert da­mit eine der effi­zi­entesten Perow­skit-So­larzellen auf Basis dieser Me­thode. Neben der rei­nen Va­kuumab­schei­dung bil­det das hocheffi­ziente Substrat auch ei­nen idea­len Aus­gangs­punkt für die Ab­schei­dung des Absor­bers per Tinten­strahl­druck – das heißt mittels einer Druck­technik wie man sie von daheim kennt. Mit die­sem Ver­fahren stellen die Wis­sen­schaftler einen Weltre­kord auf: Sie er­zeugen mit tin­ten­strahlge­druckten Absor­ber­schich­ten Wir­kungs­grade bis zu 18,5 Prozent. „Aktuell domi­niert in der Ent­wicklung die Ab­schei­dung per Drehro­tations­beschich­tung, für die Wir­kungs­grade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerdings lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertra­gen“, sagt Tobias Abzie­her.

„In unse­rer Ar­beit kon­zentrie­ren wir uns auf skalier­bare Her­stel­lungsver­fahren. Wir ar­beiten mit Nach­druck da­ran, die Perow­skit-Pho­tovoltaik aus dem Labor in die Fabri­ken zu bringen“, so Dr. Ul­rich W. Paetzold, Leiter der Ar­beits­gruppe Advan­ced Op­tics and Materials for Next Gene­ra­tion Pho­tovolta­ics am Institut für Mik­rostruk­turtech­nik (IMT) und dem Licht­techni­schen Institut (LTI) des KIT.

An dem Projekt ist neben dem KIT auch das Innova­tion Lab in Hei­delberg beteiligt. Die For­schung wurde unter­stützt durch das Bun­desmi­niste­rium für Bildung und For­schung (BMBF), die Initi­ierungs- und Ver­net­zungsför­derung der Helm­holtz-Ge­mein­schaft sowie die Karlsruhe School of Optics & Pho­tonics (KSOP).

KIT / LK

 

Produkte des Monats

4 Methoden, um Niederdruck-Gasströmungen zu modellieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Neues aus der Welt der Multiphysik-Simulation

Die COMSOL News 2019 enthält spannende Berichte aus den verschiedensten Bereichen der Forschung und Entwicklung. Erfahren Sie, wie Multiphysik-Simulation Smart City-Technologien verbessert, den gezielteren Einsatz von Krebs-Medikamenten ermöglicht und für eisfreie Straßen im Winter sorgen kann!

Laden Sie die COMSOL News 2019 ohne Anmeldung und kostenfrei herunter:

HIER

Produkte des Monats

4 Methoden, um Niederdruck-Gasströmungen zu modellieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Neues aus der Welt der Multiphysik-Simulation

Die COMSOL News 2019 enthält spannende Berichte aus den verschiedensten Bereichen der Forschung und Entwicklung. Erfahren Sie, wie Multiphysik-Simulation Smart City-Technologien verbessert, den gezielteren Einsatz von Krebs-Medikamenten ermöglicht und für eisfreie Straßen im Winter sorgen kann!

Laden Sie die COMSOL News 2019 ohne Anmeldung und kostenfrei herunter:

HIER