Technologie

Perowskite verlässlich produzieren

29.03.2021 - Methode für die reproduzierbare Herstellung hocheffizienter Perowskit-Solarzellen vorgestellt.

Perowskite sind eine Materialklasse, die erstmals im frühen 19. Jahrhundert beschrieben wurde. Im Jahr 2009 wurden sie als mögliches Material für die Energie­gewinnung aus Solarzellen „wieder­entdeckt”. Seitdem haben sie die Forschung im Bereich neuartiger Photovoltaik-Technologien auf den Kopf gestellt. Ihre Wirkungs­grade konnten mit noch nie da gewesener Geschwindigkeit verbessert werden. Diese Effizienz­steigerung war so rapide, dass im Jahr 2021, nach einem guten Jahrzehnt Forschung, Perowskite bereits Leistungen und Wirkungs­grade erreichen, die sich kaum noch von konventionellen Silizium-Solarzellen unterscheiden. Was Perowskite besonders viel­versprechend macht, ist die Art und Weise, mit der sie hergestellt werden können. Im Gegensatz zu Silizium-basierten Elementen, die schwer sind und hohe Temperaturen in der Herstellung benötigen, sind Perowskit-Bauteile leicht und lassen sich durch einen viel geringeren Energie­einsatz fertigen. Diese Kombination aus hoher Effizienz und einfacher Herstellung hat die Forschung auf diesem Gebiet beflügelt.
 

Während die Leistungsfähigkeit von Perowskit-Solarzellen in die Höhe stiegen, wurden andere wichtige Entwicklungen, die es braucht, um eine solche Technologie kommerziell erfolgreich zu machen, vernachlässigt. Ein Problem, dass die Entwicklung von Perowskiten erschwert, ist die geringe Reproduzier­barkeit der elektrischen Bauteile. Während manche Solarzellen die angestrebte Leistungs­fähigkeit erreichen können, zeigen andere, die in der exakt gleichen Art und Weise hergestellt wurden, oft signifikant geringere Effizienzen, was die Wissenschaftler zusehends frustrierte und ratlos machte.

Jetzt haben Wissenschaftler der Forschungs­gruppe „Neuartige Elektronik-Technologien“ unter Leitung von Yana Vaynzof die fundamentalen Prozesse identifiziert, die während der Schicht­bildung der Perowskite ablaufen, und die die Reproduzier­barkeit der Photovoltaik-Bauelemente maßgeblich beeinflussen. Bei der Herstellung von Perowskit­schichten aus einer Lösung wird im entscheidenden Prozess­schritt ein Anti Lösungs­mittel aufgetragen, welches die Kristallisation des Materials initiiert. 

„Wir haben herausgefunden, dass die Dauer, für die die Perowskit­schichten dem Anti-Lösungsmittel ausgesetzt sind, einen dramatischen Einfluss auf die finale Bauteil­leistung hat. Das ist eine wichtige Variable, die bisher im Herstellungsprozess keine Beachtung gefunden hat“, sagt Alexander Taylor, Postdoktorand in der Vaynzof-Gruppe und Erstautor der Studie. „Dies beruht auf der Tatsache, dass gewisse Anti-Lösungsmittel die Bestandteile der Perowskit­schichten teilweise herauslösen und so letztlich deren Zusammen­setzung verändern können. Zusätzlich beeinflusst die Mischbarkeit zwischen dem Anti-Lösungsmittel und dem Lösungs­mittel, in dem die Perowskite zuvor gelöst waren, den Zeitpunkt des Einsetzens der Kristallisation.“

Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Herstellung von PV-Bauelementen im Labor Unterschiede im Prozess­schritt des Anti-Lösungs­mittels die sehr geringe Reproduzier­barkeit und schwankende Leistungsfähigkeit der Perowskit-Bauteile erklären können. Im weiteren Verlauf der Studie testeten die Forscher eine breite Palette von Anti-Lösungs­mitteln und konnten zeigen, dass bei kontrollierter Berücksichtigung der beschriebenen Phänomene quasi jedes Anti-Lösungs­mittel hoch-effiziente Bauteile erzeugen kann.

„Durch die Identifizierung der Schlüssel­eigenschaften, die ein gutes Anti-Lösungs­mittel aufweisen muss, um qualitativ hochwertige Perowskit­schichten zu erzeugen, können wir vorhersagen, wie ein neues Anti-Lösungsmittel angewendet werden muss. Somit entfällt die mühsame und oft durch Ausprobieren erreichte Optimierung dieses Prozess­schrittes“, fügt Fabian Paulus, Leiter der Forschungs­gruppe „Transport in Hybridmaterialien“ am cfaed und Mitwirkender der Studie, hinzu.

„Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Studie ist, dass wir zeigen konnten, wie eine optimale Anwendung eines Anti-Lösungs­mittel das Prozessierungs­fenster von Peroswkit-Photovoltaik-Bauteilen beträchtlich vergrößern kann“, erläutert Studienleiterin Vaynzof. „Unsere Ergebnisse auf diesem Gebiet bieten damit wertvolle Einblicke, um eine Weiter­entwicklung dieser viel­versprechenden Technologie in ein kommerziell erfolgreiches Produkt zu ermöglichen.” 

TU Dresden / DE
 

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