Der Halbleiter Perowskit gilt als neue Hoffnung, den Herstellungspreis für Solarzellen unter den von Siliziumzellen zu drücken. Die Empa, Schweiz, entwickelt neue Herstellungsverfahren, um Perowskit-Solarzellen nicht nur günstiger, sondern auch schneller zu produzieren.

Seit der Entwicklung der ersten Perowskit-Solarzelle im Jahr 2009 hat sich einiges getan: Der Wirkungsgrad von Perowskitzellen liegt mittlerweile gleichauf mit dem einer herkömmlichen Siliziumzelle. Anfangs wiesen Perowskitzellen noch einige Schwächen auf; so reagierten sie sehr empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung. Die Zellen waren weniger lange haltbar. Eine Lösung für dieses Problem fanden Grätzel und Han im Jahr 2014. Die Forscher entwickelten eine Zelle mit einem Gerüst aus Oxiden und Kohlenstoff. Doch die Idee war noch nicht markttauglich.

Zumindest bis jetzt: Frank Nüesch, Leiter der Empa-Abteilung Funktionspolymere, und sein Team haben neue Herstellungsverfahren erarbeitet, um die Zellen nicht nur schneller, sondern auch günstiger zu produzieren. Partner im Projekt ist das Unternehmen Solaronix SA. Gemeinsam stellten sie eine funktionsfähige Perowskitzelle im Labormaßstab mit einer Fläche von 10x10 cm2 her.

Schlitzdüse statt Siebdruck

Für die Herstellung der neuartigen Perowskitzelle kommt das Schlitzdüsenverfahren zum Einsatz (Bild 1). Dabei wird die Materialschicht auf eine Glasschicht aufgetragen und im Anschluss strukturiert, indem überschüssiges Material mittels Laser entfernt wird. "Mit dem neuen Beschichtungsverfahren können wir nicht nur schneller beschichten, sondern auch die Dicke der einzelnen Schichten flexibler festlegen", so Nüesch. Mit dem Schlitzdüsenverfahren lassen sich relativ einfach und schnell meterlange Bahnen beschichten. Das ist das zentrale Element für die mögliche Industrialisierung der Perowskit-Zellproduktion.

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Bild 1 Die Schlitzdüse bringt eine Kohlenstoffschicht auf das Glassubstrat auf. Nacheinander können so alle fünf Schichten der Solarzelle aufgebracht und gemeinsam getrocknet werden. Beim herkömmlichen Siebdruckverfahren musste dagegen jede Schicht einzeln getrocknet werden. (© Empa)

Insgesamt fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien, darunter Titanoxid, Zirkonoxid und Graphit, sind für eine solche Zelle nötig. Während beim bisherigen Siebdruckverfahren die Schichten einzeln getrocknet und gesintert werden mussten, was viel Zeit und Energie in Anspruch nimmt, lassen sich beim Schlitzdüsenverfahren sämtliche Schichten direkt nacheinander auftragen und gemeinsam sintern. "Mit diesem neuen Verfahren können wir sieben Mal schneller drucken", erklärt Nüesch. Den finalen Touch erhält die Perowskit-Solarzelle durch das Aufbringen des Perowskitabsorbers mittels Tintenstrahldruck. Dabei wird das Perowskit nicht wie bisher als feste Schicht auf das Substrat aufgebracht, sondern sickert durch alle porösen Unterschichten der Solarzelle bis zum Boden.

Eine erfolgreiche Kooperation

Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens arbeitete das Team eng mit Solaronix-Experten zusammen. Von ihnen stammen die "Tinten", also die nanoskaligen Leiter, Halbleiter und Isolatoren, für den Druck der einzelnen, hauchdünnen Schichten der Solarzelle. Die Herausforderung für die Forscher bestand darin, diese Tinte so aufzubereiten, dass sie sich für das Schlitzdüsenverfahren eignet. Auch die verschiedenen Einstellungen der Beschichtungseinheit, zum Beispiel die Geschwindigkeit der Schlitzdüse, die Durchflussgeschwindigkeit und der Abstand der Schlitzdüse zum Substrat, mussten aufeinander abgestimmt werden, um ein optimales Resultat zu erreichen. Die mit dem neuartigen Verfahren hergestellten Perowskit-Solarzellen weisen eine längere Lebensdauer auf. In einem nächsten Schritt folgen Praxistests: Ende 2020 werden die Perowskit-Solarzellen auf dem Empa-Campus in Dübendorf montiert, wo sie sich im Alltag bewähren müssen.