Der Halbleiter Perowskit gilt als neue Hoffnung, den Herstellungspreis für Solarzellen unter denjenigen des bislang verwendeten Siliziums zu drücken. Die Empa entwickelt neue Herstellungsverfahren, um Perowskit-Solarzellen nicht nur günstiger, sondern auch schneller zu produzieren und fit für die Industrie zu machen.
Seit der Entwicklung der ersten Perowskit-Solarzelle im Jahr 2009 liegt deren Wirkungsgrad mittlerweile gleichauf mit demjenigen einer herkömmlichen Silizium-Zelle. Doch sie wies anfangs noch einige Schwächen auf; so reagiert sie beispielsweise Aufgrund ihres Aufbaus und der verwendeten Materialien sehr empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung. Dadurch wird die Zelle weniger lange haltbar. Eine Lösung für dieses Problem fanden Michael Grätzel und Hongwei Han im Jahr 2014, als die beiden EPFL-Forscher eine Zelle mit einem Gerüst aus Oxiden und Kohlenstoff entwickelten. Doch diese Idee war noch nicht markttauglich.
Zumindest bis jetzt: Frank Nüesch, Leiter der Empa-Abteilung Funktionspolymere, und sein Team arbeiteten in den letzten Jahren intensiv an neuen Herstellungsverfahren für eben diese Solarzellen, um sie nicht nur schneller, sondern auch günstiger zu produzieren. Dazu arbeiteten die Forschenden im Rahmen eines Projekts des Bundesamtes für Energie (BFE) mit dem Westschweizer Unternehmen Solaronix SA zusammen. Gemeinsam stellten sie eine funktionsfähige Perowskit-Zelle im Labormassstab mit einer Fläche von 10x10cm her.
Für die Herstellung dieser neuartigen Perowskit-Zelle kommt das sogenannte Schlitzdüsenverfahren zum Einsatz. Dabei wird die Materialschicht auf eine Glasschicht aufgetragen und im Anschluss strukturiert, indem überschüssiges Material mittels Laser entfernt wird. «Mit dem neuen Beschichtungsverfahren können wir nicht nur schneller beschichten, sondern auch die Dicke der einzelnen Schichten flexibler festlegen», so Nüesch. Mit dem Schlitzdüsenverfahren lassen sich künftig relativ einfach und schnell meterlange Bahnen beschichten. Die erhöhte Beschichtungsgeschwindigkeit ist dann auch das zentrale Element bei einer möglichen Industrialisierung der Perowskit-Zellproduktion.
Insgesamt fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien, darunter Titanoxid, Zirkonoxid und Graphit, sind für eine solche Zelle nötig. Während beim bisherigen Siebdruck Verfahren die Schichten einzeln getrocknet und gesintert (also verdichtet) werden müssen – was viel Zeit und Energie in Anspruch nimmt –, lassen sich beim Schlitzdüsenverfahren sämtliche Schichten direkt nacheinander auftragen und gemeinsam sintern. «Mit diesem neuen Verfahren können wir sieben Mal schneller 'drucken' als mit der bisherigen Methode im Siebdruck», erklärt Nüesch. Den finalen Touch erhält die Perowskit-Solarzelle durch das Aufbringen des Perowskit-Absorbers mittels Tintenstrahl-Druck im «Coating Competence Center» der Empa – dem sogenannten Infiltrieren. Dabei wird das Perowskit nicht wie bisher als feste Schicht auf das Substrat aufgebracht, sondern sickert durch alle porösen Unterschichten der Solarzelle bis zum Boden.
Eine erfolgreiche Kooperation
Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens arbeitete das Empa-Team eng mit Solaronix-Experten zusammen. Von ihnen stammen die «Tinten» – also die nanoskaligen Leiter, Halbleiter und Isolatoren – – für den Druck der einzelnen, hauchdünnen Schichten der Solarzelle. Die Schwierigkeit für die Empa-Forschenden bestand darin, diese Tinte so aufzubereiten, dass sie sich für das Schlitzdüsenverfahren eignet. Auch die verschiedenen Einstellungen der Beschichtungseinheit, zum Beispiel die Geschwindigkeit der Schlitzdüse, die Durchflussgeschwindigkeit und der Abstand der Schlitzdüse zum Substrat, mussten aufeinander abgestimmt werden, um ein optimales Resultat zu erreichen. Genau das ist ihnen nun gelungen.
Ein weiterer Vorteil, den die mit diesem neuartigen Verfahren hergestellten Perowskit-Solarzellen mit sich bringen, ist eine längere Lebensdauer im Vergleich zu bisherigen Perowskit-Zellen. In einem nächsten Schritt folgen Praxistests: Ende 2020 werden die Perowskit-Solarzellen auf dem Dach des NEST-Gebäudes auf dem Empa-Campus in Dübendorf montiert, wo sie sich im Alltag bewähren müssen.
