Etabliertes Vakuumverfahren kann Perowskit-Solarzellen zur Marktreife verhelfen

Perowskit-Solarzellen gelten als nächster großer Schritt in der Photovoltaik. Allerdings sind sie noch nicht wirklich marktreif. Weltweit wird deshalb an der Kommerzialisierung dieser Art von Solarzellen gearbeitet. Während in Laboren in der Regel lösungsmittelbasierte Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen, da sie vielseitig sind und einfach verwendet werden können, setzt die Industrie eher auf vakuumbasierte Verfahren. Ein internationales Konsortium unter Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie des National Renewable Energy Laboratory des US Department of Energy kam zu dem Schluss, dass industriell erprobte Vakuumverfahren zur schnelleren Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen beitragen können.

Vakuum vs. Lösungsmittel

Die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen ist in den letzten zehn Jahren drastisch fortgeschritten. Unter Laborbedingungen können Wirkungsgrade erzielt werden, die jenseits der 33 Prozent und damit bereits heute über denen von reinen Silizium-Solarzellen liegen. Allerdings sind sie noch nicht marktreif. Dabei geht es unter anderem um die bisher ungeklärte Frage nach dem besten Verfahren zur Herstellung der Solarzellen in der Massenproduktion. Der industrielle Standard für die Herstellung von Dünnschichten in der Photovoltaik oder bei der Produktion organischer Leuchtdioden ist das Dampfphasenabscheidungs-Verfahren im Vakuum. In Laboren auf der ganzen Welt werden dagegen eher lösungsmittelbasierte Verfahren verwendet. Daraus ergibt sich auch ein starker Unterschied in der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit diesen Verfahren. „98 Prozent aller wissenschaftlichen Studien im Jahr 2022 wurden zu lösungsmittelbasierten Verfahren publiziert. Vakuumbasierte Verfahren, die sich seit Jahrzehnten in der Industrie bewährt haben und eine Kommerzialisierung der Solarzellen entscheidend voranbringen könnten, werden stiefmütterlich behandelt„, erklärt Ulrich Paetzold vom Karlsruher Institut für Technologie.

Vakuumbasierte Verfahren bleiben konkurrenzfähig

Bei den Verfahren mit Lösungsmitteln Kommen Tinten zum Einsatz, in denen anorganische und organische Salze in einem Lösungsmittel gelöst werden. Diese können dann mit verschiedenen Techniken auf die Oberfläche eines Substrats gedruckt werden.

Vakuumbasierte Verfahren sind dagegen trocken und lösungsmittelfrei. Die Materialien werden im Vakuum unter Zufuhr von Wärme sublimiert und dann auf der Oberfläche des Substrats kondensiert.

Die Forscher:innen analysierten für ihre Vergleichsstudie beide Methoden. Der Grund dafür, dass die Forschung vorwiegend auf lösungsmittelbasierte Verfahren setzt, liegt in der unkomplizierten Handhabung dieser Verfahren unter Laborbedingungen sowie den guten Ergebnissen in Verbindung mit den geringen Kosten. Vakuumbasierte Verfahren setzt geringfügig höhere Investitionen voraus und resultiert in einem etwas geringeren Produktionsdurchsatz. Unter Berücksichtigung von realen Parametern wie Stromkosten, Produktionsertrag, Material-, Stilllegungs- oder Recyclingkosten sind diese Verfahren allerdings auch weiterhin konkurrenzfähig, so die Forscher:innen.

Das Team hob vor allem die Wiederholbarkeit der Abscheidung, die Verfügbarkeit der benötigten Maschinen sowie die einfache Prozesskotrolle als Vorteile der Vakuumverfahren hervor. „Die vakuumbasierte Herstellung schneidet also besser ab als ihr Ruf„, so Tobias Abzieher vom KIT. Dementsprechend hoch ist auch weiterhin das Interesse der Industrie an dem Verfahren – auch zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen. Die Methode müsste allerdings weiter verbessert werden. So wäre weitere Arbeit an der Kontrolle der Abscheidungsqualität erforderlich. Außerdem müsste die Geschwindigkeit der Abscheidung erhöht werden. Damit solche Fortschritte gemacht werden können, wäre es allerdings nötig, dass die vakuumbasierten Verfahren auch wieder mehr in den Fokus der Wissenschaft rücken.

via KIT