Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin haben ein Verfahren entwickelt, um Kesteritsolarzellen im Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren herzustellen. Damit sparen sie Material, Zeit und Energie bei der Produktion.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben ein Verfahren entwickelt, um mit einer speziellen Tinte Kesteritschichten auf ein Trägermaterial zu drucken. Ein Tintendruckkopf wird schrittweise über das Substrat geführt. Tropfen für Tropfen platzieren die Wissenschaftler so das Halbleitermaterial genau dort, wo es benötigt wird. Die auf diese Weise produzierten Solarzellen erreichen nach Angaben des HZB einen Wirkungsgrad von immerhin 6,4 Prozent. „Auch wenn dies noch deutlich unter den Rekordwerten für Kesteritsolarzellen liegt, ist das Tintendruckverfahren interessant für die industrielle Produktion, da es extrem ökonomisch ist und kaum Abfälle erzeugt“, betonen die Berliner Forscher. Das Verfahren eignet sich schließlich in der Massenfertigung für das preiswerte Rolle-zu-Rolle-Verfahren, mit dem in kürzester Zeit große Mengen an Solarzellen hergestellt werden können.
Drucken statt schleudern
Ursprünglich wurde die Kesterittinte entwickelt, um auf ein rotierendes Substrat aufgeschleudert und verteilt zu werden. Dieses sogenannte Spin-Coating-Verfahren ist zwar schon etabliert. Der Nachteil ist aber ein hoher Materialverlust. Diesen hat das Forscherteam um Xianzhong Lin vom Institut für Heterogene Materialsysteme am HZB minimiert, indem die Tinte nicht aufgeschleudert, sonder aufgedruckt wird. Dazu musste Lin aber die Kesterittinte zunächst speziell für das Druckverfahren optimieren. Dabei gelang es ihm, die Viskosität der Tinte gezielt so zu beeinflussen, bis sie perfekt zum Produktionsverfahren passte. Er entwickelte einen homogenen Vorläuferfilm aus Kupfer-Zinn-Zink-Sulfid. Darauf druckt er die Kesteritschicht homogen auf. Danach werden die Solarzellen „verbacken“. „Der große Vorteil des Tintendruckverfahrens besteht darin, dass vergleichsweise wenig Material verloren geht“, erklärt Lin. „So sind weniger als 20 Mikroliter Tinte nötig, um eine Fläche von rund 6,5 Quadratzentimetern mit einer Kesteritschicht von einem Mikrometer zu beschichten. Auch wenn der Wirkungsgrad jetzt noch weit von den 12,7 Prozent entfernt ist, die Kesteritzellen erreichen können, sehen wir in diesem Verfahren enorme Chancen für die industrielle Massenproduktion.“
Wirkungsgrad wird steigen
Die Berliner Forscher arbeiten jetzt daran, das Verfahren zu optimieren und den Wirkungsgrad zu steigern. „Unser Ziel ist es, komplette Solarzellen auszudrucken, ohne auf teure Vakuumtechnologie angewiesen zu sein“, stellt Lin in Aussicht. „Die Arbeit zeigt einen neuen Weg, um einfach, preiswert und umweltfreundlich Dünnschichtsolarzellen auf Kesteritbasis zu produzieren“, ergänzt Institutsleiterin Martha Lux-Steiner. (su)
