Studie: Vorteile für vakuumbasierte Produktionsverfahren von Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen haben in den vergangenen zehn Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen. Forscher:innen konnten Wirkungsgrade von mehr als 33 Prozent erreichen. Die Marktreife von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen steht allerdings noch aus. Eine der Hürden ist die ungeklärte Frage, mit welchem Produktionsverfahren sich Perowskit-Solarzellen als Massenprodukt am besten herstellen lassen. Dabei stehen lösungsmittelbasierte Herstellungsverfahren, die Forscher:innen in den Laboren weltweit anwenden, Dampfphasenabscheidungsverfahren im Vakuum gegenüber, die auch heute noch Standard in der Herstellung von Dünnschichten in der Photovoltaik oder bei der Produktion organischer Leuchtdioden (OLED) sind.

Vakuumbasierte Produktionsverfahren von Perowskit-Solarzellen stiefmütterlich behandelt

In einer aktuellen Vergleichsstudie zeigte ein internationales Konsortium aus akademischen und industriellen Partnern unter der Leitung des US-Instituts NREL und des in Karlsruhe beheimateten KIT große Unterschiede in der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit diesen Produktionsverfahren auf. Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik sowie vom Lichttechnischen Institut des KIT sagt: „98 Prozent aller wissenschaftlichen Studien im Jahr 2022 wurden zu lösungsmittelbasierten Verfahren publiziert. Vakuumbasierte Verfahren, die sich seit Jahrzehnten in der Industrie bewährt haben und eine Kommerzialisierung der Solarzellen entscheidend voranbringen könnten, werden stiefmütterlich behandelt.“

Bei der lösungsmittelbasierten Herstellung nutzt man Tinten, in denen man organische und anorganische Salze in einem Lösungsmittel löst. Dabei stehen verschiedene Drucktechniken zu Verfügung, um diese Tinten auf der Oberfläche eines Substrats abzuscheiden. Im Gegensatz dazu verwendet die vakuumbasierte Herstellung trockene und lösungsmittelfreie Verfahren. Dabei sublimiert man die Materialien in einem Vakuum unter Zufuhr von Wärme. Das heißt, man überführt sie vom festen in den gasförmigen Aggregatszustand und kondensiert sie auf der Substratoberfläche. Prinzipiell ist es auch möglich, beide Verfahren für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen zu kombinieren.

Laborwirkungsgrade und Durchsatz sind nicht alles

In der Studie analysierten die Autorinnen und Autoren die Vor- und Nachteile beider Methoden. Die bisherige Dominanz der lösungsmittelbasierten Herstellung in der Forschung liegt demnach in der unkomplizierten Handhabung in Laboren, der sehr guten Ergebnisse im Hinblick auf den Wirkungsgrad unter Laborbedingungen und ihren geringen Kosten begründet. Dazu kommt die mögliche skalierbare Rolle-zu-Rolle-Fertigung, also die Endlosabscheidung zwischen zwei Rollen, ähnlich des Zeitungsdrucks.

Das vakuumbasierte Produktionsverfahren verursacht im Vergleich dazu etwas höhere Investitionskosten und liegt aktuell – legt man die in der Forschung angewandten Verfahren zugrunde – hinsichtlich der Abscheidungsgeschwindigkeit, das heißt dem Produktionsdurchsatz, noch im Hintertreffen. Die Autorinnen und Autoren der Studie zeigen jedoch eine Vielzahl von Lösungsansätzen auf und schätzen ab, dass es unter Berücksichtigung von realen Parametern wie Stromkosten, Produktionsertrag, Material-, Stilllegungs- oder Recyclingkosten konkurrenzfähig ist. Vor allem die gute Wiederholbarkeit der Abscheidung, die einfache Prozesskontrolle, die Verfügbarkeit von industriellem Prozessequipment und die einfache Skalierung der Abscheidung von den kleinen Solarzellenflächen aus dem Labor hin zu anwendungsrelevanten Produktflächen machen das Verfahren demnach interessant für die Kommerzialisierung. „Die vakuumbasierte Herstellung schneidet also besser ab als ihr Ruf“, so Tobias Abzieher vom Unternehmen Swift Solar.

Damit vakuumbasierte Verfahren ihre Skalierungseffekte voll ausspielen können, müsse man die Herstellungsmethode dennoch weiter verbessern, so die Forschenden. Unter anderem müsse man weiter an der Qualität der Abscheidung forschen, um den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern. Zudem gelte es, die Geschwindigkeit der Abscheidung deutlich zu erhöhen. „Vakuumbasierte Herstellungsverfahren sind nicht nur die erste Wahl der Industrie, wenn es darum geht, die Dünnschicht-Technologien zur Marktreife zu bringen. Unsere Analyse zeigt auch, dass die Verfahren wettbewerbsfähig mit lösungsmittelbasierten Ansätzen sind“, sagt David More vom NREL.

Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH