Ein russischer Name liegt in der Solarbranche in aller Munde, verspricht Hoffnung auf mehr Ertrag und weniger Kosten: Perowskit. Benannt nach dem Mineralogen Graf Lew Perowskij, der das Kalziumtitanat im Uralgebirge 1839 entdeckte. Es dauert knapp 170 Jahre, bis das Mineral helfen wird, Sonnenstrom zu produzieren. Seit der Entwicklung der ersten Perowskit-Solarzelle im Jahr 2009 stieg der Wirkungsgrad derart an, dass er mittlerweile mit herkömmlichen Siliziumzellen gleichauf liegt.
Forscher des Helmholtz-Zentrums in Berlin (HZB) haben Ende Januar den Rekord für den Wirkungsgrad von Perowskit-Zellen auf 29,15 Prozent gesteigert. Sie erreichen diese Effizienz mit einer kristallinen Solarzelle, auf die eine zusätzliche Halbleiterschicht aus Perowskiten aufgebracht ist. Das ist eine Hybridverbindung aus anorganischen und organischen Stoffen.
Neue Zellen noch nicht so stabil
Schweizer Wissenschaftler an der Empa haben ein innovatives Vorgehen entwickelt. „Mit dem neuen Schlitzdüsenverfahren können wir nicht nur schneller beschichten, sondern auch die Dicke der einzelnen Schichten flexibler festlegen“, frohlockt Frank Nüesch. Er leitet die Empa-Abteilung für Funktionspolymere. Mit den Schlitzdüsen ließen sich künftig relativ einfach und schnell meterlange Bahnen beschichten. Die schnellere Beschichtung sei auch das zentrale Element bei einer möglichen Industrialisierung der Perowskit-Zellproduktion, weiß Nüesch.
Perowskit-Zellen verfügen bisher aber über einige Schwächen: Sie reagieren beispielsweise aufgrund ihres Aufbaus und der verwendeten Materialien empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung. Dadurch wird die Zelle weniger lange haltbar. Nüesch und sein Team wollen das ändern. Sie arbeiten seit mehreren Jahren intensiv an neuen Herstellungsverfahren für Solarzellen, um sie schneller und auch günstiger zu produzieren.
Der Perowskit sickert bis zum Boden
Die Wissenschaftler arbeiten bei dem Projekt des Bundesamtes für Energie mit dem Schweizer Unternehmen Solaronix zusammen. Gemeinsam haben sie eine funktionsfähige Perowskit-Zelle im Labormaßstab mit einer Fläche von zehn mal zehn Zentimetern generiert.
Insgesamt fünf Schichten werden demnach für eine solche Zelle benötigt. Darunter befinden sich Titanoxid, Zirkonoxid und Graphit. Während beim bisherigen Siebdruckverfahren die Schichten einzeln getrocknet und verdichtet werden müssen, lassen sich beim Schlitzdüsenverfahren sämtliche Schichten direkt nacheinander auftragen und gemeinsam sintern. Das spart für alles viel Zeit. „Mit diesem neuen Verfahren können wir siebenmal schneller drucken als mit der bisherigen Methode im Siebdruck“, erklärt Nüesch. Den finalen Touch erhält die Perowskit-Solarzelle durch das Aufbringen eines Absorbers durch einen Tintenstrahldruck. Dabei wird der Perowskit nicht wie bisher als feste Schicht auf das Substrat aufgebracht, sondern sickert durch die porösen Schichten der Zelle bis zum Boden.
Praxistest auf dem Empa-Campus
Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens arbeitete das Empa-Team eng mit Experten der Firma Solaronix zusammen. Von ihnen kommen die Tinten für den Druck der einzelnen hauchdünnen Schichten der Solarzelle. Eine Schwierigkeit für die Empa-Forschenden bestand darin, diese Tinte so aufzubereiten, dass sie sich für das Schlitzdüsenverfahren eignet. Auch die verschiedenen Einstellungen der Beschichtungseinheit wie die Geschwindigkeit der Schlitzdüse, die Durchflussgeschwindigkeit und der Abstand der Schlitzdüse zum Substrat müssen passen. Alles musste aufeinander abgestimmt werden, um ein optimales Resultat zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens ergibt sich aus einer längeren Lebensdauer im Vergleich zu bisherigen Perowskit-Zellen. Auch soll ein Praxistest folgen: Ende 2020 werden die Perowskit-Solarzellen auf dem Dach des NEST-Gebäudes auf dem Empa-Campus im Schweizer Dübendorf montiert. Die neuen Zellen müssen sich dann in der täglichen Stromproduktion bewähren.
empa.ch
