Tinten-Design: Neue Druckverfahren für Perowskit-Solarzellen

© Fotolia/AdobeBerlin - Hybride organische Perowskit-Halbleiter ermöglichen Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden bei niedrigen Kosten. Sie gelten als Hoffnungsträger, doch bei der Hochskalierung für die industrielle Herstellung sind noch Hürden zu überwinden.

Für die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige PV-Module werden oft optimierte „Tinten“ verwendet. Mit einem neuen Druck- und Beschichtungsverfahren können Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie die Qualität dieser Dünnschicht nun gezielt berechnen und damit steuern.

Tintendrucker: Zusammensetzung der Tinte entscheidend für Qualität der Dünnschicht
Im Labormaßstab können Perowskit-Halbleiter durch das Aufschleudern einer Vorläuferlösung hergestellt werden. Doch im Industriemaßstab funktioniert das nicht. Um großflächige Photovoltaikmodule herstellen zu können, entwickelt das Team von Dr. Eva Unger daher Druck- und Beschichtungsverfahren: Sie verwenden dabei „Tinten“ aus den in Lösungsmitteln gelösten Vorläufersubstanzen. Die Zusammensetzung der Tinte ist dabei entscheidend für die Qualität der späteren Dünnschicht: Die Lösungsmittel beeinflussen durch ihre Eigenschaften den Prozess der Kristallisation. „Unsere Forschungsfrage lautete: Wie können wir Unterschiede in der Kristallisationskinetik bei der Verwendung verschiedener Lösungsmittel vorab wissensbasiert abschätzen?" erklärt Unger, die am HZB die Nachwuchsgruppe Hybridmaterialbildung und Skalierung leitet.

Kristallisationsprozess: Analyse am Speicherring BESSY II
Das HZB-Team hat am Speicherring BESSY II in Berlin-Adlershof analysiert, wie die Kristallisationsprozesse in solchen Mischungen ablaufen. In Lösungsmitteln mit nur einer Komponente wird der Kristallisationsprozess durch die Verdampfungsrate bestimmt. Sind verschiedene Lösungsmittel eingesetzt, so wird die Verdampfung von der flüchtigsten Komponente dominiert. „Dadurch ändert sich das Verhältnis der Lösungsmittel, die bei der Kristallisation vorhanden sind", sagt Dr. Oleksandra Shargaieva. Am KMC-2-Strahlrohr von BESSY II konnte sie die Zwischenphasen während der Bildung der Perowskit-Dünnschicht analysieren. „Dabei spielen sowohl die Verdampfungsraten der Lösungsmittel als auch die Bindungsstärken an das Bleihalogenid eine Rolle“, so Shargaieva.

Gezielte Berechnung der Kinetik der Kristallisationsprozesse möglich
Im Ergebnis ist es möglich, die Kinetik der Kristallisationsprozesse des Perowskit-Dünnfilms für verschiedene Lösungsmittelkombinationen zu berechnen. Unger: “Mit diesen Ergebnissen ebnen wir den Weg für das wissensbasierte Design von Tinten, um die Herstellung von Perowskit-Dünnschichten im industriellen Maßstab oder von Perowskit-Dünnschichten hoher Qualität zu ermöglichen."