15.07.2020 - The Optical Society

Tintenstrahldruck-Herstellung ebnet den Weg für die praktische Produktion von Perowskit-Solarzellen

Neuer Ansatz könnte skalierbare Produktion von hocheffizienten Solarzellen bieten

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie haben eine neue, auf Tintenstrahldruck basierende Herstellungstechnik entwickelt, die eine schnelle, effiziente und skalierbare Produktion von Perowskit-Solarzellen ermöglichen könnte.

Perowskit-Halbleiter sind ein sehr vielversprechendes Material für Solarzellen, weil sie Licht absorbieren und in Energie umwandeln, und zwar mit einem besseren Wirkungsgrad und potenziell niedrigeren Produktionskosten als das heute verwendete Silizium. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um eine praktische Herstellung von Perowskit-Solarzellen im industriellen Maßstab zu erreichen.

Helge Eggers, Doktorand in der Forschungsgruppe von Dr. Ulrich W. Paetzold vom Karlsruher Institut für Technologie, wird den neuen Tintenstrahldruck-Ansatz auf dem Kongress The Optical Society (OSA) 2020 Advanced Photonics Congress, einem rein virtuellen Treffen vom 13. bis 16. Juli, vorstellen.

Der Tintenstrahldruck ist ein skalierbares und materialeffizientes Beschichtungsverfahren für lösungsbasierte Materialien, mit dem sich die Druckmuster leicht anpassen lassen.

"Die Entwicklung eines gut funktionierenden Tintenstrahldruckverfahrens für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen könnte nicht nur eine kostengünstige Massenproduktion ermöglichen, sondern würde auch eine einfache Modifizierung des gedruckten Designs auf der Grundlage digitaler Bilddateien ermöglichen und damit den Markt für individuell angepasste Solarzellen öffnen", sagte Eggers.

Die Forschungsgruppe zeigt, dass mit der neuen Technik Solarzellen hergestellt werden können, die Licht in Energie mit Wirkungsgraden umwandeln, die denen nahe kommen, die mit weniger skalierbaren Herstellungsmethoden erreicht werden. Da ihr Ansatz zum Drucken beliebiger Muster verwendet werden könnte, könnte sie auch für das Drucken von Solarzellen auf Materialien nützlich sein, die dazu dienen, Oberlichter und Gebäudefassaden in Stromquellen zu verwandeln.

Optimierter Tintenstrahldruck

Die Forscher begannen mit ihrem neuen Ansatz, Solarzellen mit einer tintenstrahlbedruckten Perowskit-Absorberschicht herzustellen. Ihre wichtigsten Errungenschaften waren die Entwicklung einer optimierten Tinte und eines auf Vakuumtrocknung basierenden Herstellungsverfahrens. Dieses Verfahren ermöglicht ein bevorzugtes Kristallisationsmuster des Perowskitmaterials mit mikrometergroßen säulenförmigen Körnern. Die Solarzellen wiesen eine Energieumwandlungseffizienz von mehr als 20 Prozent auf, was den Autoren zufolge die höchste Umwandlungseffizienz ist, die für teilweise tintenstrahlbedruckte Perowskit-Solarzellen berichtet wurde. Dieses Ergebnis trägt dazu bei, die Leistungslücke mit modernsten spin-beschichteten Perowskit-Solarzellen zu schließen, die einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent aufweisen.

Danach gingen sie noch einen Schritt weiter und stellten Perowskit-Solarzellen mit tintenstrahlbedruckten Absorber- und Extraktionsschichten her. Diese Solarzellen wiesen eine Energieumwandlungseffizienz von mehr als 17 Prozent auf. Sie zeigten auch, dass ihre optimierte Tintenformulierung Strukturen im Millimeterbereich erzeugen kann, indem sie detaillierte Porträts einiger der Autoren ausdruckten.

Obwohl diese Ergebnisse einen wichtigen Schritt in Richtung der Entwicklung skalierbarer Perowskit-Solarzellen darstellen, gibt es immer noch wichtige Herausforderungen, die es zu überwinden gilt.

"Im Moment verarbeiten wir Solarzellen noch im Labormaßstab. Die Hochskalierung der tintenstrahlbedruckten Perowskit-Photovoltaik auf große Flächen ist ein kontinuierliches Unterfangen", sagte Ulrich W. Paetzold, Gruppenleiter der Perowskit-Taskforce am Karlsruher Institut für Technologie. "Dafür arbeiten wir mit unseren Industriepartnern auf diesem Gebiet zusammen.

Tintenstrahlbedruckte Elektroden werden derzeit von der Gruppe untersucht. Darüber hinaus arbeitet die Gruppe noch an der Optimierung der Qualität und Reproduzierbarkeit des entwickelten Tintenstrahldruckverfahrens, da bereits kleine Veränderungen in der Homogenität der bedruckten Folie einen großen Einfluss auf die Leistung der Solarzelle haben können.

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