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Neues Material für druckbare Solarzellen

Größer, günstiger, effizienter – Solarzellen mit Spezialbeschichtung

| Autor / Redakteur: Sandra Wiebe* / Christian Lüttmann

Solarzellen sind eine Möglichkeit, umweltfreundlich Strom zu erzeugen (Symbolbild).
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Solarzellen sind eine Möglichkeit, umweltfreundlich Strom zu erzeugen (Symbolbild). (Bild: gemeinfrei, mrganso / Pixabay)

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Licht effizient absorbieren ist eine Grundvoraussetzung für gute Solarzellen. Doch die angeregten Elektronen und positiven „Elektronen-Löcher“ müssen auch möglichst verlustfrei abgeführt werden. Dazu haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine Lochleiterschicht entwickelt, die großflächig abscheidbar ist und einen Rekordwirkungsgrad ermöglicht.

Karlsruhe – Mit Wirkungsgraden von über 24 Prozent im Labor gehören 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.

Ladungstrennung im Lochleiter

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 Wissenschaftlern des KIT hat Abzieher eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht für Perowskit-Solarzellen auf Basis von Nickeloxid (NiOx) entwickelt. Diese Schicht ist den Forschern zufolge nicht nur kostengünstig, sondern im Gegensatz zu den üblichen organischen Materialien auch unempfindlicher gegenüber Temperaturen von mehr als 70 °C. „Um die Schicht auf dem Substrat abzuscheiden, nutzen wir eine Vakuumprozesstechnik – die Elektronenstrahlverdampfung. Dabei lagert sich das Metalloxid 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“, sagt Abzieher.

Wirkungsgrade auf Rekordniveau

Vollständig vakuumprozessierte Perowskit-Solarzellen von Abziehers Team erzielen Wirkungsgrade von bis zu 16,1 Prozent und demonstrieren damit eine der effizientesten Perowskit-Solarzellen auf Basis dieser Methode. Neben der reinen Vakuumabscheidung bildet das 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 nach eigenen Angaben sogar 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 Technik praktisch nicht auf große Flächen übertragen“, sagt Abzieher.

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Das Druckverfahren der KI-Forscher wäre hingegen auch für XL-Solarzellen möglich. „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“, betont 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.

Originalpublikation: Tobias Abzieher, Somayeh Moghadamzadeh, Fabian Schackmar, Helge Eggers, Florian Sutterlüti, Amjad Farooq, Danny Kojda, Klaus Habicht, Raphael Schmager, Adrian Mertens, Raheleh Azmi, Lukas Klohr, Jonas A. Schwenzer, Michael Hetterich, Uli Lemmer, Bryce S. Richards, Michael Powalla, and Ulrich W. Paetzold: Electron-Beam- Evaporated Nickel Oxide Hole Transport Layers for Perovskite-Based Photovoltaics, Advanced Energy Materials, Volume 9, Issue 12, March 27, 2019; DOI: 10.1002/aenm.201802995

* S. Wiebe, KIT Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Karlsruhe

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