In einem Verbundprojekt haben Forschende der King Abdullah University of Science and Technology KAUST und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE den Schritt der Rotationsbeschichtung bei der Produktion von Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen durch eine Kombination aus Aufdampfen und Blade-Coating-Beschichtung (Klingenbeschichtung) ersetzt. Abgeschieden werden die Perowskit-Solarzellen auf Silicium-Bottom-Zellen. Auf diese Weise erreichen die Tandemsolarzellen Wirkungsgrade nahe 28 %. Zugleich ebnet die Entwicklung den Weg für eine industrielle Produktion dieser Solarzellen.
Auch wenn aktuell Perowskit-Silicium-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden von über 33 % im Labor die PV-Industrie optimistisch stimmen, bleibt ihre Produktion im großen Maßstab eine Herausforderung. „Das erfolgreiche Aufbringen der Perowskit-Topzelle mit skalierbaren Technologien auf die Silicium-Bottom-Zelle war für uns ein Durchbruch“, sagt Oussama Erraji, Doktorand und Projektleiter am Fraunhofer ISE. „In einem zweistufigen Hybridprozess werden zunächst die anorganischen Perowskit-Materialien aufgedampft, anschließend werden die organischen Perowskite mittels Blade-Coating aufgebracht. Damit ist das Verfahren für die Produktion im industriellen Maßstab geeignet.“
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler demonstrierten vollständig strukturierte Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen mit Leerlaufspannungen von über 1900 Millivolt und Wirkungsgraden von 27,8 %. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Beschichtungsgeschwindigkeit im hybriden Verdampfungs-/Blade-Coating-Prozess im Gegensatz zu einstufigen beschichteten Perowskiten keinen Einfluss auf die Perowskitdicke hat, sondern mit der Perowskit-Umwandlungsrate korreliert, die für die Optimierung des Absorbers entscheidend war.
RTEM-Bilder von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen, die durch Aufdampfen/Spin-Coating oder Aufdampfen/Blade-Coating hergestellt wurden - (Fotos: Fraunhofer ISE)
Mit dieser Studie bauen die Forschenden des Fraunhofer ISE auf ihrer umfangreichen Erfahrung mit dem Hybridverfahren auf, das Verdampfung mit einem nasschemischen Prozessschritt kombiniert. Während in der Vergangenheit für den nasschemischen Schritt das Spin-Coating-Verfahren (Rotationsbeschichtung) verwendet wurde, konnten sie nun ihre Erfahrungen auf das besser skalierbare Blade-Coating (Klingenbeschichtung) für den zweiten Schritt übertragen.
Viele Perowskit-Forschungsgruppen, darunter KAUST und Fraunhofer ISE, untersuchen Wege, um Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen in die Massenproduktion zu bringen. Bislang werden Perowskit-Silicium-Solarzellen meist im Spin-Coating-Verfahren hergestellt. Für die Produktion in großem Maßstab ist es jedoch nicht geeignet. „Wir gehen außerdem davon aus, dass die Erkenntnisse über die Dynamik beim Blade-Coating auf das Slot-Die-Coating (Schlitzdüsenbeschichtung) übertragen werden können, das sich noch besser für die Skalierung eignet“, fügt Dr. Juliane Borchert, Gruppenleiterin Perowskit-Materialien und Grenzflächen am Fraunhofer ISE hinzu.
Silicium-Solarzellen können maximal 29,4 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Dieses physikalische Limit hat die Photovoltaik-Industrie schon fast erreicht. Um die Effizienz von Solarzellen weiterhin zu erhöhen, wenden sich Solar-Forscherinnen und Forscher weltweit der Tandem-Photovoltaik zu, insbesondere Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen. Durch die Kombination von zwei oder mehr Teilzellen aus unterschiedlichen Materialien kann ein größeres Spektrum des Sonnenlichts genutzt werden. Während die Silicium-Solarzelle vor allem den roten Anteil des Sonnenlichts effizient in Strom umwandelt, kann die darüber liegende Teilzelle aus Perowskiten den blauen Anteil des Lichts besser nutzen.
