Gedruckte »in-situ« Perowskitsolarzellen – ressourcenschonend und lokal produzierbar

Neues aus der Forschung

Meldung vom 16.05.2018

Die Photovoltaik (PV) ist eine der Hauptsäulen einer nachhaltigen Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien. Neben der momentan dominierenden Silicium-basierten PV bieten auch alternative Materialien wie Perowskite ein großes Potenzial. Für solch neue Solarzellentypen prüfen Wissenschaftler gänzlich neue Konzepte auf ihre Machbarkeit. Ein sehr innovativer Ansatz, um Solarzellen noch ressourcenschonender herstellen zu können, besteht darin, die Anzahl an Produktionsschritten durch Umkehrung des Herstellungsablaufes drastisch zu reduzieren. Dafür entwickelte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE das »in-situ«-Konzept für gedruckte Perowskitsolarzellen.


180525-0621_medium.jpg
 
In-situ Befüllung einer gedruckten Perowskit­solarzelle am Fraunhofer ISE.
Lukas Wagner, Laura E. Mundt, Gayathri Mathiazhagan, Markus Mundus, Martin C. Schubert, Simone Mastroianni, Uli Würfel, Andreas Hinsch & Stefan W. Glunz
Distinguishing crystallization stages and their influence on quantum efficiency during perovskite solar cell formation in real-time
Nature Scientific Reports
DOI: 10.1038/s41598-017-13855-6


Mit einem Rekord-Wirkungsgrad von 12,6 % haben die Forscher hiermit jetzt einen wichtigen Meilenstein für gedruckte Photovoltaik erreicht.

Solarzellen aus Silicium dominieren heute den Photovoltaik-Weltmarkt. Ihre Produktion besteht aus einer Vielzahl von Einzelprozessschritten, von der Synthese des photoaktiven Materials und der Herstellung der Solarzellen bis hin zur elektrischen Verschaltung und Versiegelung des fertigen Solarmoduls. Mit dem Material Perowskit und dem Ziel, Produktionsschritte einzusparen, haben sich am Fraunhofer ISE in Freiburg Forscher einer Arbeitsgruppe um Dr. Andreas Hinsch die Frage gestellt: Warum nicht die Herstellung einer Solarzelle so umkehren, dass zuerst das Solarmodul vorgefertigt wird und anschließend das eigentliche photovoltaische Material eingefüllt und direkt vor Ort – lateinisch »in-situ« – aktiviert wird? »Jetzt ist es uns zum ersten Mal gelungen, mit dem aktuell intensiv beforschten Photovoltaikmaterial Perowskit, einem photoaktiven Salz, gedruckte Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 12,6 % in-situ herzustellen«, freut sich Andreas Hinsch und fügt hinzu: »Damit ist ein erster wichtiger Meilenstein erreicht, um die Aufskalierung und die Überführung dieser Technologie in die industrielle Produktion sinnvoll vorantreiben zu können.« Nebenbei stellt dieser zertifiziert gemessene Labor-Wirkungsgrad auch einen Rekordwert für gedruckte Solarzellen im Allgemeinen dar.

Gedruckte Elektroden verbinden sich mit Perowskiten

Die für gedruckte »in-situ«-Perowskitsolarzellen auf kleinen Flächen entwickelte Methode und die erzielten Resultate bilden die Grundlage für die Untersuchung der Aufskalierbarkeit. Ziel der aktuellen Projekte ist es, druckbare nanopörose Elektrodenschichten zur inneren Abscheidung und Ankopplung der Perowskitkristalle zu entwickeln, die Homogenität des Abscheideprozesses zu optimieren und hohe solare Wirkungsgrade in den fertigen Zellen nachzuweisen. Dabei werden die Prozessschritte »Siebdruck der Elektrodenschichten« und »Aktivierung des Perowskits« optimiert. Die Dicke der späteren photovoltaisch aktiven Schicht liegt unter einem Mikrometer.

Entscheidend für den solaren Wirkungsgrad ist die Kontrolle des Abscheideprozesses der Perowskitkristallite im Inneren der nano-porösen Elektroden, die aus Metalloxiden und mikronisiertem Graphit bestehen. Neu beim Ansatz der Forscher um Andreas Hinsch ist das Verfahren zur Befüllung der ansonsten fertigen Zelle mit dem Perowskit und dessen anschließender Kristallisation. Während bisher übliche Verfahren zu einem unkontrollierten Kristallwachstum führten, haben die Forscher des Fraunhofer ISE einen Weg gefunden, das Perowskit mittels eines polaren Gases in ein bei Raumtemperatur geschmolzenes Salz umzuwandeln und so die Poren der Elektroden zu füllen. Die anschließende Desorption des Gases erhöht den Schmelzpunkt stark und bewirkt die Kristallisation. Das Ergebnis ist ein homogener Wachstumsprozess. Solcherart hergestellte photoaktive Schichten weisen eine hohe Photospannung von 1 Volt auf und erzielen den für »in-situ« Laborzellen (0.1 cm2) mit Graphitelektrode zertifizierten stabilisierten solaren Wirkungsgrad von 12,6 %. Die Fraunhofer-Forscher erwarten eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads ihrer gedruckten »in-situ« Perowskitsolarzellen, nicht zuletzt deshalb, weil das verwendete Perowskitmaterial, wie in der wissenschaftlichen Literatur für nicht-skalierbare Laborzellen berichtet, bereits solare Wirkungsgrade von 22 % gezeigt hat.

Ressourcenschonend und lokal produzierbar

Neben den zu erwartenden günstigen Kosten für die am Fraunhofer ISE entwickelte neuartige Perowskitsolarzelle spielen auch Nachhaltigkeit und Komplexität des Herstellungsprozesses eine Rolle. In den letzten Jahren sind aufgrund des schnellen Ausbaus der Produktionskapazitäten für bestehende Technologien die Kosten der Photovoltaik stark gefallen. Neben der Fokussierung auf weitere Kostensenkung spielt heute vermehrt der Aspekt der Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle. Die insgesamt noch junge Technologie Photovoltaik hat noch Verbesserungspotenzial beim Energie- und Rohstoffverbrauch. Hierzu müssen Materialien und Konzepte entwickelt werden, die mittel- bis längerfristig Alternativen bieten können.

Ziel der weltweit einmaligen Forschungsarbeiten des Fraunhofer ISE an effizienten »in-situ« Solarzellen ist es, eine möglichst ressourcenschonende, lokal produzierbare Photovoltaik zu ermöglichen. Die Verarbeitungsschritte der jetzt mit 12,6 % Wirkungsgrad erfolgreichen gedruckten Perowskitsolarzelle ähneln jenen der Glasverarbeitung. Daher ist eine Herstellung über dezentrale Wege mit lokalen Produktionsstätten nicht nur in hochtechnisierten Standorten, sondern auch unter einfachen Infrastrukturbedingungen realisierbar. Durch die Verwendung von preiswertem Graphit und leicht synthetisierbarem Perowskit reduzieren sich die Materialkosten fast auf die Kosten der Glassubstrate. Für die spätere Vermarktung dieser Form von gedruckten »in-situ« Perowskitsolarzellen könnte also das Geschäftsmodell der glasproduzierenden und verarbeitenden Industrie übernommen werden. Dies bedeutet, dass aufgrund der niedrigen Materialkosten die Transportkosten anteilsmäßig den Verkaufspreis so erhöhen, dass lokale Produktion und Vertrieb gegenüber einer zentralisierten Herstellung global gesehen konkurrenzfähiger werden.

Das Fraunhofer ISE koordiniert ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördertes Verbundprojekt MesoPIN zur Materialentwicklung von gedruckten Perowskitsolarzellen. Projektpartner sind die Universitäten Konstanz, Bayreuth und Freiburg sowie die Firmen Opvius GmbH in Nürnberg und Kitzingen und Thieme in Teningen.


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung