22. Februar 2021

Die perfekte Mischung für effiziente Perowskit-Solarzellen

HZB-Team optimiert die Zusammensetzung von Materialtinten für die einfache und kostengünstige Herstellung von Solarzellen

Schema Beschichtung mit Materialtinte © Jinzhao Li / HZB

Die „Tinte“ aus Perowskit-Vorstufe, Lösungsmittel und Zusatzstoff kommt aus einer schlitzförmigen Düse und beschichtet das darunter entlangfahrende Glassubstrat. © Jinzhao Li / HZB

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.

Noch machen Solarzellen aus kristallinem Silizium den Löwenanteil auf Dächern und in Solarparks aus. Doch andere Technologien haben sich längst in Stellung gebracht – zum Beispiel solche, bei denen extrem dünnen Schichten auf einem Trägermaterial das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. In diese Gruppe gehören auch die Perowskit-Solarzellen, die Prof. Eva Unger und ihr Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) erforscht. „Das sind die bisher besten Solarzellen, die sich aus einer Materialtinte herstellen lassen“, erklärt die Forscherin. „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. Denn Unger weiß aus eigener Erfahrung: „Leider lassen sich Verfahren, die für kleinflächige Herstellung optimiert sind, nicht immer skalieren.“ Mit anderen Worten: Nicht alles, was im Labor perfekt funktioniert, muss auch in der Fabrik wirtschaftlich funktionieren. „Deshalb gehen wir den nächsten Schritt und entwickeln skalierbare Methoden. Das heißt, unser Team konzentriert sich auf Beschichtungsprozesse für größere Flächen.“ Am Hybrid Silicon Perovskite Research, Integration & Novel Technologies (HySPRINT) Innovation Lab, einer Kooperationsplattform zwischen dem HZB und der Industrie, setzen sie dafür von Anfang an auf Verfahren, die ihre Relevanz in der Industrie bereits unter Beweis gestellt haben.

Auf die Dosis kommt es an

„Wir haben hier mit Schlitzdüsenbeschichtung experimentiert“, erzählt sie. Dabei fließt die „Tinte“, wie die dünnflüssige Lösung aus Perowskit-Vorstufe, Lösungsmittel und Zusatzstoff im Fachkreis genannt wird, 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, das haben Unger und ihr Doktorand Jinzhao Li nun herausgefunden, ist die genaue Menge einer Substanz namens DMSO ausschlaggebend. Das steht für Dimethylsulfoxid und ist ein organisches Lösungsmittel. Unger nutzt es als Zusatzstoff, 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“, erzählt die Physikochemikerin.

Allerdings, und das hat ihr Team in vielen Versuchen herausgefunden, spielt hier die Dosis eine entscheidende Rolle. Ein Mehr an 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. „Das ist wie beim Würzen in der Küche“, sagt Unger. „Gibt man zu wenig Salz in die Suppe, dann wird sie fade. Gibt man zu viel dazu, dann schmeckt sie auch nicht gut. Man braucht also genau die richtige Menge, damit es perfekt wird.“

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. Dies ist ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von Tinten und Prozessen berücksichtigt werden muss.“

Publikation

20.8% Slot-Die Coated MAPbI₃Perovskite Solar Cells by Optimal DMSO-Content and Age of 2-ME Based Precursor Inks
Jinzhao Li, Janardan Dagar, Oleksandra Shargaieva, Marion A. Flatken, Hans Köbler, Markus Fenske, Christof Schultz, Bert Stegemann, Justus Just, Daniel M. Többens, Antonio Abate, Rahim Munir, and Eva Unger
Adv. Energy Materials (2021). DOI: 10.1002/aenm.202003460