Forscherinnen und Forscher wollen in einem neu gestarteten Forschungsprojekt die Fertigungsanlagen zur Beschichtung von Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen verbessern.

Siliziumsolarzellen erzielen immer höhere Wirkungsgrade. Ermöglicht haben dies unter anderem Fortschritte in der Materialforschung und verbesserte Produktionsprozesse. Gleichzeitig tragen die Entwicklungen aber auch dazu bei, dass es immer schwieriger wird, weitere Wirkungsgradsteigerungen zu erzielen. Denn diese sind mit technisch stets aufwändigeren Prozessen verbunden.

Eine alternative und vielversprechende Möglichkeit, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen, sind sogenannte Tandemsolarzellen. Tandemsolarzellen setzen sich aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Schichten zusammen, die wiederum aus verschiedenen Materialien bestehen. Aufgrund ihres Aufbaus ist diese Solarzellenart effizienter. Die einzelnen Schichten absorbieren unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichts, sodass die Zellen ein breiteres Lichtspektrum nutzen können.

Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen herstellen

Infolge ihrer Eigenschaften bieten Tandemsolarzellen ebenfalls mit Blick auf übliche Siliziumsolarzellen ein vielversprechendes Potenzial, um sie zu optimieren. Neben der Siliziumsolarzelle wird zusätzlich eine Perowskit-Solarzelle verwendet, um in Kombination der beiden Zellentypen den Wirkungsgrad als Tandemsolarzelle zu steigern. Die dazu zentrale Produktionstechnik wird als Perowskitabscheidung bezeichnet.

Um eine Silizium-Perowskit-Tandemsolarzelle herzustellen, müssen Perowskitfilme, also feine Schichten aus Perowskit, erzeugt werden. Dazu wird ein Verfahren benötigt, mit dem dünne und gleichmäßige Schichten auf ein Trägermaterial, das Substrat, aufgetragen werden können. Für diesen Produktionsschritt existieren bereits etablierte Methoden. Die Rotationsbeschichtung (englisch: spincoating) etwa ist weit verbreitet. Diese Methode eignet sich jedoch nur für Laboranwendungen und nicht unter industriellen Aspekten.

Potenzial für die industrielle Perowskitabscheidung

Hier setzt das Forschungsvorhaben APERO an. Das Wissenschaftsteam beschäftigt sich unter anderem mit dem Beschichtungsverfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (englisch: chemical vapour deposition, CVD). Dieses Verfahren wird bereits für verschiedene Herstellungsprozesse genutzt. Nun wollen die Forscherinnen und Forscher die Methode für die Herstellung bei Atmosphärendruck umsetzen. Denn dieses als APCVD (englisch: atmospheric pressure chemical vapour deposition, APCVD) bezeichnete Verfahren wird bisher nicht eingesetzt.

Die Herstellung von Perowskit-Schichten bei Atmosphärendruck birgt das Potenzial, günstiger und flexibler als herkömmliche Methoden zu sein. Denn APCVD-Beschichtungsanlagen können durch den Betrieb unter Atmosphärendruck komplett auf Vakuumpumpen verzichten. Gleichzeitig wird über einen Rollentransport in der Anlage nur das zu beschichtende Substrat erhitzt, was die Strom- und Kühlungskosten stark reduziert. Darüber hinaus können die Dicken und die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schichten über verschiedene Einstellungsmöglichkeiten der Anlage angepasst werden. Aufgrund all dieser Faktoren bietet sich das APCVD-Verfahren als vielversprechende Methode in der industriellen Produktion von hocheffizienten Perowskitfilmen an.

Erwartete Fortschritte mittels APCVD-Technologie

Die APCVD-Technologie wurde bereits in mehreren Förderprojekten aufgegriffen. Der Fokus lag dabei stets auf einem anderen Aspekt der Technologie oder auf dem Zusammenspiel mit weiteren Prozessen. Das Wissenschaftsteam will nun aufzeigen, dass sich mittels einer APCVD-Anlage hocheffiziente Perowskit-Schichten abscheiden lassen, die qualitativ mit etablierten Verfahren vergleichbar sind. Die Forscherinnen und Forscher wollen verschiedene schichtbildendende Ausgangsstoffe (Präkursoren) evaluieren und die Qualität der abgeschiedenen Schichten untersuchen. Das Wissenschaftsteam will damit einen Prozess entwickeln, um mit einer APCVD-Anlage hochwertige Schichten für Perowskit-Solarzellen abscheiden zu können.

Das Forschungsvorhaben startete zum 01.05.2021 mit einer Laufzeit von drei Jahren. Es wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. (av)