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Grüne Energiequelle der Zukunft? Was gedruckte Solarzellen besonders macht

| Autor/ Redakteur: Karin Schneider* / Christian Lüttmann

Sind sie die Zukunft der Energietechnik? Seit Jahrzehnten entwickeln Forscher immer bessere Solarzellen. Mit einer neuen Herstellungsmethode stellen Fraunhofer Wissenschaftler aus Freiburg nun eine vielversprechende Perowskitsolarzelle her, die ressourcenschonend und lokal produzierbar sein sollen.

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In-situ Befüllung einer gedruckten Perowskit­solarzelle am Fraunhofer ISE. Der reine Perowskit wird bei Raum­temperatur als geschmolzenes Salz eingebracht und anschließend in der Solar­zelle auskristallisiert. Die abgebildete Menge der Schmelze ist ausreichend für die Herstellung von vier Quadratmetern Modulfläche.
In-situ Befüllung einer gedruckten Perowskit­solarzelle am Fraunhofer ISE. Der reine Perowskit wird bei Raum­temperatur als geschmolzenes Salz eingebracht und anschließend in der Solar­zelle auskristallisiert. Die abgebildete Menge der Schmelze ist ausreichend für die Herstellung von vier Quadratmetern Modulfläche.
(Bild: Fraunhofer ISE)

Freiburg – Die Photovoltaik ist eine der Hauptsäulen einer nachhaltigen Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien. Der Weltmarkt auf diesem Gebiet wird heute von Solarzellen aus Silicium dominiert. Ihre Produktion besteht aus einer Vielzahl einzelner Prozessschritte, von der Synthese des photoaktiven Materials und der Herstellung der Solarzellen bis hin zur elektrischen Verschaltung und Versiegelung des fertigen Solarmoduls.

Gedruckte Solarzellen mit Perowskit

Um Produktionsschritte – und damit Zeit und Ressourcen – einzusparen, haben sich am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg Dr. Andreas Hinsch und seine Arbeitsgruppe 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 (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“, sagt Hinsch. „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 laut einer Pressemeldung auch einen Rekordwert für gedruckte Solarzellen im Allgemeinen dar.

Salzschmelze bei Raumtemperatur

Die ISE-Forscher stellen bei ihrer Methode zuerst das Gerüst der Solarzelle her und befüllen dieses anschließend mit dem photoaktiven Material. Dabei ist die Kontrolle des Abscheideprozesses der Perowskitkristallite im Inneren der nano-porösen Elektroden entscheidend für den solaren Wirkungsgrad. Hier kommt der neue Ansatz der Fraunhofer-Wissenschaftler ins Spiel: 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 Hinsch und sein Team einen innovativen neuen Weg gefunden: Mithilfe eines polaren Gases wandeln sie das Perowskit in ein bei Raumtemperatur geschmolzenes Salz um und füllen so die Poren der Elektroden, die aus Metalloxiden und mikronisiertem Graphit bestehen. 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, bereits solare Wirkungsgrade von 22 % gezeigt hat, wie in der wissenschaftlichen Literatur für nicht-skalierbare Laborzellen berichtet.

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