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Photovoltaik Tandemsolarzelle kommt ohne Lösungsmittel aus

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen versprechen höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Siliziumzellen. Ihre Herstellung ist allerdings technisch aufwendig. Forscher aus Freiburg haben nun eine Tandemzelle entwickelt, deren Perowskitschicht vollständig ohne Lösungsmittel hergestellt wurde.

Forscher haben eine neue Prozesskette für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entwickelt, die vollständig ohne Lösungsmittel auskommt.(Bild: Universität Freiburg)
Forscher haben eine neue Prozesskette für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entwickelt, die vollständig ohne Lösungsmittel auskommt.
(Bild: Universität Freiburg)

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen nutzen das Sonnenlicht effizienter als herkömmliche Siliziumzellen, weil ihre beiden Halbleiterschichten unterschiedliche Spektralbereiche absorbieren. Dabei kombinieren sie eine Siliziumsolarzelle mit einer darüberliegenden Perowskitschicht. Beide Absorber nutzen unterschiedliche Spektren des Sonnenlichts und können dadurch höhere Wirkungsgrade erreichen als einzelne Siliziumsolarzellen.

Jetzt haben Forscher aus Freiburg eine solche Tandemzelle vollständig ohne Lösungsmittel hergestellt. Hintergrund: Eine Perowskit-Topzelle wird häufig mit lösungsbasierten Verfahren hergestellt. Dabei werden die Ausgangsmaterialien in Lösung gebracht und anschließend auf das Substrat aufgetragen. Die Verfahren stellen Anforderungen an Löslichkeit, Schichthomogenität und die Verträglichkeit mit bereits vorhandenen Zellschichten.

Verzicht auf Lösungsmittel

Das Team aus Freiburg wählte eine Vakuumprozesskette. Die Perowskitschicht wurde durch sequenzielle Verdampfung abgeschieden. Dabei werden die Ausgangsmaterialien in definierten Prozessschritten in die Gasphase überführt und auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden. Auch die weiteren in der Arbeit beschriebenen Prozessschritte kommen ohne Lösungsmittel aus.

Eine zentrale Rolle spielte dabei die Kristallbildung während des Herstellungsprozesses. Mithilfe von In-situ-Röntgendiffraktometrie untersuchten die Forscher, wie sich die kristallografische Struktur während der Abscheidung und des anschließenden Temperns entwickelt. Die Messdaten zeigen, unter welchen Bedingungen sich die Perowskitphase bildet und wie die Wärmebehandlung die Schichtstruktur beeinflusst.

Der Einfluss der Siliziumoberfläche

Zusätzlich analysierte das Forschungsteam den Einfluss der Siliziumoberfläche. Für Tandemsolarzellen ist dieser Punkt relevant, weil die Perowskitschicht nicht nur auf glatten Testsubstraten, sondern auch auf strukturierten Siliziumzellen abgeschieden werden muss. Die Oberflächentopografie kann dabei die Bedeckung, die lokale Schichtdicke und die Kristallbildung beeinflussen.

Die Arbeit demonstriert damit eine vollständig lösungsmittelfreie Prozesskette für eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle. Außerdem zeigen die Ergebnisse einen möglichen Weg für die Vakuumfertigung von Perowskit-Topzellen. Eine industrielle Umsetzung ist damit jedoch noch nicht nachgewiesen. Dafür müssen die Forscher unter anderem zeigen, dass sich die Schichten auf größeren Flächen gleichmäßig und reproduzierbar herstellen lassen. Ebenfalls entscheidend sind Prozesszeit, Materialausnutzung, Zellstabilität und die Integration in bestehende Fertigungslinien. (heh)

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