Solarzellen aus flüssigen Tinten im Außeneinsatz getestet

HZB-Team optimiert Metallhalogenid-Perowskite für Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen Produktion

Die Beschichtung mit Standard-Tinte (oben links) erzeugt kleine "Rippen" auf der nassen Dünnschicht. Auch nach der Wärmebehandlung und der darauffolgenden Auskristallisierung der Dünnschicht zeigen sich unter dem Rasterelektronenmikroskop deutliche Inhomogenitäten (oben rechts). Mit der optimierten Zusammensetzung der Vorläufertinten wird die Nassschicht nahezu perfekt (unten links). Die Elektronenmikroskopieaufnahme zeigt: auch der kristallisierte Dünnfilm ist deutlich homogener (unten rechts). © HZB

Solarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI₃-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.

Metallhalogenid-Perowskite gelten als besonders preisgünstige und vielversprechende Materialklasse für Solarmodule der nächsten Generation. Perowskit-Solarzellen können mit Beschichtungsverfahren hergestellt werden, die mit flüssigen Tinten aus Vorläufermaterialien und verschiedenen Lösungsmitteln arbeiten. Im Anschluss an die Beschichtung verdampfen die Lösungsmittel und die Perowskite kristallisieren zu einer im Idealfall homogenen Schicht.

Die Aufskalierung im Blick

Das Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin hat große Expertise mit diesen Verfahren und untersucht Optionen für die Aufskalierung. „Perowskit-Photovoltaik ist die beste lösungsprozessierbare PV-Technologie, die es gibt“, sagt Eva Unger, „aber wir fangen gerade erst an, zu verstehen, wie sich das komplexe Zusammenspiel der Lösungsmittelkomponenten auf die Qualität der Perowskit-Schichten auswirkt.“

Tinten mit unterschiedlicher Viskosität

Denn bei der Beschichtung der Halogenid-Perowskit-Schichten auf großen Flächen können ungewollte Inhomogenitäten auftreten, zum Beispiel rippenartige Strukturen. „Durch Variationen in der Viskosität der Tinte lassen sich solche Effekte minimieren“, sagt Jinzhao Li, der bei Unger promoviert. An BESSY II hat er untersucht, wie sich die verschiedenen Lösungsmittelkombinationen auf die Kristallisation der Perowskit-Filme auswirken. Die besten p-i-n-FAPbI₃-Perowskit-Solarzellen erreichen damit im Labormaßstab eine zertifizierte Leistung von 22,3 %. Außerdem stellte Jinzhao Li mit Kolleg*innen im HySPRINT-Innovationslabor und dem PVcomB Mini-Solarmodule (12,6 cm²) her, die Wirkungsgrade um die 17 % erzielten.

Ein Jahr im Außeneinsatz getestet

Das Team von Dr. Carolin Ulbrich testete die so optimierten Solarzellen ein Jahr lang am PVcomB-Teststand im Freien. Dabei blieb der Wirkungsgrad im Winter und Frühjahr nahezu stabil, und sank erst in den wärmeren Sommermonaten. „Diese Tests von größeren Modulen unter realen Bedingungen geben uns wertvolle Hinweise, um die Halogenid-Perowskit-Photovoltaik weiter zu verbessern“, sagt Eva Unger.
 

Publikation:

Advanced Energy Materials (2023): Ink Design Enabling Slot-Die Coated Perovskite Solar Cells with >22% Power Conversion Efficiency, Micro-Modules, and 1 Year of Outdoor Performance Evaluation
Jinzhao Li, Janardan Dagar, Oleksandra Shargaieva, Oliver Maus, Marco Remec, Quiterie Emery, Mark Khenkin, Carolin Ulbrich, Fatima Akhundova, José A. Márquez, Thomas Unold, Markus Fenske, Christof Schultz, Bert Stegemann, Amran Al-Ashouri, Steve Albrecht, Alvaro Tejada Esteves, Lars Korte, Hans Köbler, Antonio Abate, Daniel M. Többens, Ivo Zizak, Emil J. W. List-Kratochvil, Rutger Schlatmann, Eva Unger.
DOI: 10.1002/aenm.202203898
 

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Abteilung Lösungsprozesse für hybride Materialien und Bauelemente

Prof. Dr. Eva Unger
Nachwuchsgruppenleiterin
Tel. +49 30 2093-82550
E-Mail eva.unger(at)helmholtz-berlin.de

Dr. Antonia Rötger
Wissenschaftskommunikation
Tel. +49 30 8062-43733
E-Mail antonia.roetger(at)helmholtz-berlin.de

Pressemitteilung HZB vom 16.03.2023