Schweizer Forscher produzieren neuartige Solarzellen schneller und günstiger

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Dübendorf – Strom aus Solaranlagen wird immer preiswerter. Durch den Einsatz des Halbleiters Perowskit sollen die Herstellungspreise für Solarzellen in Zukunft noch weiter sinken. Ein neues Produktionsverfahren könnte dazu den industriellen Durchbruch bringen.

Im Wettbewerb um immer kostengünstigere Solarzellen gilt der Halbleiter Perowskit als wichtiger Hoffnungsträger. Deutliche Fortschritte beim Herstellungsprozess vermelden nun Schweizer Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa). Damit können die Herstellungspreise für Solarzellen auch unter die von Silizium-Solarzellen fallen.

Wirkungsgrad von Perowskit Solarzellen gleichauf mit Silizium-Zellen

Seit der Entwicklung der ersten Perowskit-Solarzelle im Jahr 2009 liegt deren Wirkungsgrad mittlerweile gleichauf mit demjenigen einer herkömmlichen Silizium-Zelle. Doch die neuartige Solarzelle wies anfangs noch einige Schwächen auf. Sie reagiert beispielsweise Aufgrund ihres Aufbaus und der verwendeten Materialien sehr empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung. Dadurch ist die Peroswkit-Solarzelle weniger lange haltbar. Eine Lösung für dieses Problem fanden Michael Grätzel und Hongwei Han im Jahr 2014, als die beiden Forscher der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) eine Zelle mit einem Gerüst aus Oxiden und Kohlenstoff entwickelten. Doch diese Idee war zu dieser Zeit noch nicht markttauglich. Doch das soll sich nun ändern.

Neues Beschichtungsverfahren macht Herstellung von Perowskit-Solarzellen schneller und günstiger

Frank Nüesch, Leiter der Empa-Abteilung Funktionspolymere, und sein Team arbeiteten in den letzten Jahren intensiv an neuen Herstellungsverfahren Dazu stellten die Forschenden im Rahmen eines Projekts des Bundesamtes für Energie (BFE) und dem Westschweizer Unternehmen Solaronix SA eine funktionsfähige Perowskit-Zelle im Labormassstab mit einer Fläche von 10x10cm her. Die Besonderheit: Schlitzdüsen- statt Siebduckverfahren. Damit 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. Die Vorteile des neuen Beschichtungsverfahrens liegen darin, dass künftig relativ einfach und schnell meterlange Bahnen beschichtet werden können. Die erhöhte Beschichtungsgeschwindigkeit ist dann auch das zentrale Element bei einer möglichen Industrialisierung der Perowskit-Zellproduktion.

Schlitzdüsenverfahren sieben Mal schneller als Siebdruck

Insgesamt fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien, darunter Titanoxid, Zirkonoxid und Graphit, sind für eine Perowskit-Solarzelle nötig. Während beim bisherigen Siebdruck Verfahren jede einzelne Schichte mit hohem Energieaufwand getrocknet und verdichtet werden muss, lassen sich beim Schlitzdüsenverfahren sämtliche Schichten direkt nacheinander auftragen und gemeinsam sintern. Dadurch können die Schweizer sieben Mal schneller "drucken" als mit der bisherigen Methode im Siebdruck, so Nüesch. Den finalen Touch erhält die Perowskit-Solarzelle durch das Aufbringen des Perowskit-Absorbers mittels Tintenstrahl-Druck im «Coating Competence Center» der Empa – dem sogenannten Infiltrieren. 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.

Ein weiterer Vorteil der mit dem neuartigen Verfahren hergestellten Perowskit-Solarzellen ist die längere Lebensdauer. In einem nächsten Schritt folgen Praxistests: Ende 2020 werden die Perowskit-Solarzellen auf dem Dach des Forschungs- und Innovationsgebäudes der Empa (NEST) in Dübendorf montiert, wo sie sich im Alltag bewähren müssen.

Quelle: IWR Online

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