{"id":83702,"date":"2022-07-09T02:05:00","date_gmt":"2022-07-09T00:05:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=83702"},"modified":"2022-07-08T16:14:11","modified_gmt":"2022-07-08T14:14:11","slug":"perowskit-solarzellen-umweltfreundlicher-herstellen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/perowskit-solarzellen-umweltfreundlicher-herstellen\/","title":{"rendered":"Perowskit-Solarzellen umweltfreundlicher herstellen"},"content":{"rendered":"\n

Neues ZSW-Verfahren mit umweltfreundlichem L\u00f6sungsmittel bringt industrielle Produktion voran<\/p>\n\n\n\n

Perowskit-Solarzellen sind die Hoffnungstr\u00e4ger der Photovoltaik. Sie k\u00f6nnen einfach und kosteng\u00fcnstig aus Tintenl\u00f6sungen hergestellt werden und haben unl\u00e4ngst Rekord-Wirkungsgrade von bis zu 25,7\u00a0Prozent im Labor erzielt. Dabei kommen jedoch fast immer gesundheits- und umweltsch\u00e4dliche L\u00f6sungsmittel wie Dimethylformamid zum Einsatz. F\u00fcr eine industrielle gro\u00dffl\u00e4chige Beschichtung von Perowskit-Solarzellen ist daher die Entwicklung von Verfahren mit weniger kritischen L\u00f6sungsmitteln dringend erforderlich. Einen entscheidenden Erfolg auf diesem Weg hat nun das Zentrum f\u00fcr Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-W\u00fcrttemberg (ZSW) erzielt: Die Forschenden entwickelten einen Beschichtungsprozess f\u00fcr Perowskite, bei dem ausschlie\u00dflich das umweltfreundliche L\u00f6sungsmittel Dimethylsulfoxid eingesetzt wurde. Der Wirkungsgrad der im ZSW hergestellten Solarzelle ist praktisch genauso hoch wie bei Zellen, die mit dem toxischen L\u00f6sungsmittel \u00a0Dimethylformamid hergestellt wurden. Die wissenschaftlichen Fortschritte wurden in der Fachzeitschrift \u201eACS Applied Energy Materials\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n

Solarzellen mit Perowskit-Schichten als lichtabsorbierendem Material sind seit einigen Jahren in den Fokus von Forschung und Wirtschaft ger\u00fcckt. Als Perowskite bezeichnet man Materialien, die die gleiche Kristallstruktur aufweisen wie das gleichnamige nat\u00fcrliche Mineral. \u201eEinige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften \u2013 f\u00fcr eine h\u00f6here Stromausbeute von Solarzellen eine Grundvoraussetzung\u201c, sagt Dr. Jan-Philipp Becker, der Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik Materialforschung. \u201eAu\u00dferdem sind die hierf\u00fcr notwendigen Rohstoffe auf der Erde reichlich vorhanden und somit kosteng\u00fcnstig verf\u00fcgbar. Damit k\u00f6nnten Hersteller von Solarzellen bald hocheffiziente Module zu noch niedrigeren Kosten anbieten, als sie heute bereits bei siliziumbasierten Zellen und Modulen erreicht werden.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Es gibt noch weitere Vorteile der Technologie: Perowskite k\u00f6nnen als D\u00fcnnschichttechnologie auch auf Kunststoff-Folien hergestellt werden. Damit sind sie leichtgewichtig und flexibel und erschlie\u00dfen auch Anwendungen, die f\u00fcr herk\u00f6mmliche Solarmodule nicht zug\u00e4nglich sind \u2013 etwa nahtlos integrierte Solarzellen auf Fahrzeugd\u00e4chern oder auf Industriehallen, die keine gro\u00dfen Lasten tragen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n

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\u00a9 zsw-bw.de<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n
Sch\u00e4dliche L\u00f6sungsmittel behindern Produktion im gro\u00dfen Ma\u00dfstab<\/h5>\n\n\n\n

Die Ausgangsstoffe der Perowskite werden f\u00fcr die Beschichtung in speziellen L\u00f6sungsmitteln aufgel\u00f6st. Erst dann k\u00f6nnen sie gleichm\u00e4\u00dfig auf die Tr\u00e4gerfl\u00e4che aufgebracht werden. Dabei kommen in der Regel Mischungen mit Dimethylformamid (DMF) zum Einsatz, das jedoch gesundheits- und umweltsch\u00e4dlich ist. F\u00fcr eine \u00dcberf\u00fchrung der Produktion in einen industriellen Ma\u00dfstab ist das hinderlich, da gr\u00f6\u00dfere Mengen des L\u00f6sungsmittels als Abfall anfallen und entsorgt werden m\u00fcssten. Auch sind hohe Kosten f\u00fcr den Arbeitsschutz zu erwarten.<\/p>\n\n\n\n

Forschung und Industrie suchen daher intensiv nach umweltvertr\u00e4glichen, industrietauglichen L\u00f6sungsmitteln. Aufgrund der ben\u00f6tigten chemischen Eigenschaften kommen jedoch nur wenige Stoffe in Frage. Das Team um Jan-Philipp Becker hat nun genauer untersucht, ob reines Dimethylsulfoxid (DMSO) ein solches L\u00f6sungsmittel sein kann. DMSO ist eigentlich f\u00fcr den Beschichtungsprozess nicht  geeignet, da die hohe Oberfl\u00e4chenspannung und Z\u00e4hfl\u00fcssigkeit des L\u00f6sungsmittels zu einer ungleichm\u00e4\u00dfigen Beschichtung der Solarzelle f\u00fchrt. Au\u00dferdem kann der Kristallisationsprozess der Zelle mit DMSO nur schlecht kontrolliert werden, so dass oft nur kleine Perowskit-Kristalle entstehen. Die Folge: Die Zelle erzeugt weniger Solarenergie.<\/p>\n\n\n\n

Produktionsprozess f\u00fcr gr\u00fcne L\u00f6sungsmittel anpassen<\/h5>\n\n\n\n

Um dieses Problem zu l\u00f6sen, wandten die ZSW-Forschenden zwei Kunstgriffe an. Mittels eines angepassten Filmziehverfahrens und einer verbesserten Trocknungsmethode konnten sie den Wirkungsgrad der mit DMSO produzierten Perowskit-Solarzellen deutlich steigern. \u201eWir haben ein Netzmittel aus Siliziumoxid-Nanopartikeln bei der Beschichtung der Perowskit-Solarzelle genutzt und den Trocknungsprozess angepasst“, sagt Becker. Die beiden Optimierungen f\u00fchren dazu, dass Schichten mit gro\u00dfen Kristalliten mit gleichbleibender Qualit\u00e4t entstehen.<\/p>\n\n\n\n

Die im ZSW mit DMSO als L\u00f6semittel hergestellten 0,24 Quadratzentimeter gro\u00dfen Perowskit-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 16,7 Prozent \u2013 nur 0,2 Prozent weniger als die gleich gro\u00dfen, ebenfalls im Institut hergestellten Perowskit-Solarzellen mit DMF. Die Forschenden nutzen die Rakelbeschichtung, englisch Blade Coating, die relativ problemlos auf gr\u00f6\u00dfere Produktionseinheiten skalierbar ist und sich dadurch f\u00fcr die industrielle Umsetzung eignet.<\/p>\n\n\n\n

Perowskit-Solarzellen mit gr\u00f6\u00dferer Fl\u00e4che produzieren<\/h5>\n\n\n\n

Hier liegt auch der gro\u00dfe Unterschied zu Zellen mit Rekordwirkungsgraden von 25,7 Prozent. Sie wurden mit dem Verfahren der Rotationsbeschichtung, englisch Spin Coating, hergestellt. Dabei ist der Wirkungsgrad zwar h\u00f6her, industriell nutzen l\u00e4sst sich die Methode f\u00fcr gro\u00dfe Modulfl\u00e4chen jedoch nicht.<\/p>\n\n\n\n

\u201eDie neuen Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Fertigung\u201c, freut sich Becker. \u201eNun werden wir den Herstellungsprozess weiter optimieren und gr\u00f6\u00dfere Module herstellen.\u201c Mit industrietauglichen Beschichtungsmethoden arbeiten die Forschenden auf Modulgr\u00f6\u00dfen von bis zu 30 mal 30 Quadratzentimeter hin. Bei dieser Gr\u00f6\u00dfe w\u00e4ren alle grunds\u00e4tzlichen Herausforderungen f\u00fcr die weitere Skalierung auf kommerzielle Modulformate bereits \u00fcberwunden.<\/p>\n\n\n\n