Perowskit-Photovoltaik Skalierungslücke geschlossen und Wirkungsgrad von über 24 Prozent

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Wirkungsgrade von Perowskit-Solarzellen sind im Labor exzellent, doch die industrielle Produktion haperte an der Skalierbarkeit. Forscher des KIT präsentieren nun ein Vakuum-Verfahren, das die Wirkungsgrade erhöht: 24,4 Prozent für Einzelzellen und 23,5 Prozent für Tandem-Module.

:Die Wirkungsgrade von Perowskit-Solarzellen sind im Labor bereits exzellent, doch die industrielle Produktion haperte bislang an der Skalierbarkeit. Forscher des KIT präsentieren nun ein Vakuum-Verfahren, das den Weg zur hocheffizienten Massenfertigung von Tandem-Solarzellen ebnet. Das könnte auch das Energy Harvesting für IoT-Anwendungen revolutionieren.

In der Stromversorgung der Zukunft spielt die Photovoltaik die zentrale Rolle. Während die siliziumbasierte PV-Technologie langsam an ihre physikalischen Grenzen stößt, versprechen Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade von weit über 30 Prozent – sofern sie als Tandem-Zellen (Perowskit kombiniert mit Silizium oder als reine Perowskit-Tandems) eingesetzt werden.

Das Problem bisher: Die meisten Rekord-Wirkungsgrade wurden auf fingernagelgroßen Proben im Labor erzielt, meist unter Einsatz von nasschemischen Verfahren (Spin-Coating), die sich kaum für die präzise Massenproduktion auf großen Flächen eignen.

Co-Evaporation im Vakuum

Ein Team um Dr. Tobias Abzieher und Professor Ulrich W. Paetzold vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt. Sie setzen auf die Co-Evaporation (Co-Verdampfung) im Hochvakuum.

„Das Vakuumverfahren hat gegenüber der nasschemischen Verarbeitung entscheidende Vorteile für die industrielle Produktion“, erklärt Tobias Abzieher. „Die Schichtabscheidung ist wesentlich präziser steuerbar, trocknet schneller und lässt sich nahtlos in bestehende Prozesse der Halbleiter- und OLED-Fertigung integrieren.“

Die Werte im Detail

Die am KIT erzielten Ergebnisse zeigen, dass das industrielle Vakuum-Verfahren bei der Effizienz kaum noch Kompromisse gegenüber dem Labor-Standard erfordert:

• Einfach-Solarzellen: Hier wurde ein Wirkungsgrad von 24,4 Prozent erreicht. Das ist ein Spitzenwert für Perowskit-Zellen, die rein durch physikalische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden.

• Perowskit-Perowskit-Tandem-Module: Auf einer Aperturfläche von ca. 12,25 cm² erreichten die Forscher einen Wirkungsgrad von 23,5 Prozent

• Skalierbarkeit: Besonders wichtig ist dabei die Beibehaltung der Qualität auf Modul-Ebene. Durch die Laserverschaltung der Zellen zu Modulen konnten die Verluste minimal gehalten werden.

Relevanz für die Stromversorgung

Für Entwickler von Stromversorgungslösungen bedeutet die industrielle Reife der Perowskite vor allem zwei Dinge: sinkende Kosten pro Wattpeak und eine neue Designfreiheit. Da Perowskit-Schichten extrem dünn und potenziell flexibel sind, eröffnen sich Anwendungen jenseits klassischer starrer Glasmodule.

Das KIT arbeitet bereits mit Industriepartnern zusammen, um das Verfahren auf quadratmetergroße Module zu übertragen. „Unser Ziel ist es, die hocheffiziente Tandem-Photovoltaik aus dem Labor in die reale Anwendung zu bringen – und zwar mit Verfahren, die wirtschaftlich konkurrenzfähig sind“, sagt Ulrich W. Paetzold.

Die Ergebnisse unterstreichen, dass die Perowskit-Technologie den akademischen Status endgültig verlassen hat und zu einer ernstzunehmenden Säule der industriellen Energieversorgung reift. (heh)

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