Umweltfreundlichere Chemie bringt Perowskit-Solarzellen mit geringer Toxizität der Serienproduktion näher
Solarzellen, die auf dünne, flexible Oberflächen aufgetragen werden können, könnten eines Tages so hergestellt werden, wie Zeitungen gedruckt werden – bei Raumtemperatur und ohne die giftigen Chemikalien, auf die der Prozess bisher angewiesen war, behaupten Forscher der University of Surrey.
In einem in der Fachzeitschrift „Nano Energy“ veröffentlichten Artikel stellen die Wissenschaftler ein Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Solarmodulen in dem für die industrielle Produktion erforderlichen Maßstab vor, das mit geringerer Toxizität auskommt. Perowskite gelten als vielversprechende Kandidaten, um herkömmliche Silizium-Solarzellen zu ergänzen oder zu ersetzen, da sie in eine Tinte gelöst und auf leichte, biegsame Oberflächen aufgetragen werden können. Das Problem bei Perowskiten besteht darin, dass die Tinte selbst Lösungsmittel benötigt, deren Handhabung gefährlich und deren Einsatz in einer Produktionslinie kostspielig ist.
Das Forschungsteam aus Surrey stellte seine Tinte auf der Basis sichererer Inhaltsstoffe her. Ihr System, das sie als „Significantly Reduced-Toxicity“ (SRT)-Lösungsmittel bezeichnen, basiert auf Ethanol und 2-Methyltetrahydrofuran, einem Lösungsmittel, das aus nachwachsenden Rohstoffen wie land- und forstwirtschaftlichen Abfällen gewonnen wird, sowie einer geringen Menge eines milderen Additivs, um die Filmbildung zu steuern. Dadurch entfällt der Bedarf an den giftigen Lösungsmitteln, auf die sich die Branche lange gestützt hat, darunter Dimethylformamid (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und Acetonitril (ACN), von denen einige als Reproduktionstoxine eingestuft sind.
Die Forscher weisen darauf hin, dass die Erzeugung von einem Gigawatt Strom aus diesen Perowskit-Modulen auf einer einzigen Beschichtungsanlage mehr als 90.000 Liter Lösungsmittel verbrauchen kann; der Verzicht auf giftige Lösungsmittel in der Tinte entlastet daher die Produktion erheblich in Bezug auf Gesundheit und Umwelt.
Um zu zeigen, dass das Verfahren über eine einzelne Zelle hinaus funktioniert, baute das Team Mini-Module mit aktiven Flächen von bis zu 11,5 Quadratzentimetern und erreichte Energieumwandlungswirkungsgrade von über 18 Prozent – einer der höchsten Werte, die bisher für umweltfreundlichere, skalierbare Perowskit-Verfahren berichtet wurden. Die Module blieben während der Tests auch unter kontinuierlicher Lichteinstrahlung stabil.
Wir entwickeln die Chemie der Perowskit-Materialien gemeinsam mit dem Herstellungsprozess und orientieren uns dabei an den Anforderungen der Industrie. Damit eine Technologie den Sprung vom Labor in eine reale Produktionsumgebung schafft, müssen wir nicht nur die Leistung berücksichtigen, sondern auch die Lösungsmittel, die Verarbeitungsbedingungen, die Sicherheit, den Ressourcenverbrauch und die Gesamtkomplexität der Produktion. Dr. Ehsan Rezaee, wissenschaftlicher Mitarbeiter
Der Ansatz ist auf eine kontinuierliche Produktion mit hohem Durchsatz ausgelegt. Die Tinte wird bei Raumtemperatur aufgetragen und mit einem Gasstrahl getrocknet – ein Schritt, der mit der Roll-to-Roll-Fertigung kompatibel ist, dem gleichen Prinzip, das auch beim Hochgeschwindigkeitsdruck von Zeitungen zum Einsatz kommt. Das Team hat gezeigt, dass das Verfahren auf flexiblen Oberflächen funktioniert – genau dort, wo der Vorteil von Perowskit gegenüber starrem Silizium am deutlichsten zum Tragen kommt, von Gebäudeoberflächen über tragbare Elektronik bis hin zu den für die Raumfahrt benötigten Leichtbau-Paneelen.
Das Verfahren umgeht zudem den „Antisolvent“-Schritt, den viele Perowskit-Rezepturen erfordern – eine Phase, bei der üblicherweise weitere giftige Chemikalien zum Einsatz kommen. Durch das Weglassen dieses Schritts und die Arbeit bei niedrigen Temperaturen verbraucht der Prozess weniger Energie und weniger Materialien.
Die potenziellen Auswirkungen unserer Innovation gehen über den bloßen Ersatz eines gefährlichen Lösungsmittels hinaus. Ein Verfahren, das auf einfach zu handhabenden, ungiftigen Lösungsmitteln und einfacheren Beschichtungsschritten basiert, reduziert den Bedarf an Lösungsmittelhandhabung, Abfallbehandlung und der damit verbundenen Sicherheitsinfrastruktur. Das weist auf eine kompaktere, ressourceneffizientere und potenziell kostengünstigere Fertigung für neue Solartechnologien hin. Wir wollen dazu beitragen, saubere Energie weltweit verfügbar zu machen, und wenn wir gleichzeitig die Dekarbonisierung in großem Maßstab unterstützen können, ist das ein doppelter Gewinn für die Gesellschaft. Professor Ravi Silva, Distinguished Professor, Direktor des Advanced Technology Institute (ATI) und Leiter des NanoElectronics Centre
Die Studie wurde von der Universität Surrey geleitet und umfasste Forscher der Universität Oxford, der Universität Cambridge, des Helmholtz-Zentrums Berlin in Deutschland, des MAX IV-Labors in Schweden und des National Physical Laboratory. Die Forschung wurde vom Engineering and Physical Sciences Research Council und dem EU-Projekt „Horizont 2020“ MUSICODE unterstützt.
Source
University of Surrey 2026 | Translated with www.DeepL.com/Translator
