Neues Fertigungsverfahren für Photovoltaikanlagen senkt die Kosten und erhöht gleichzeitig die Stabilität

Zu einer Perowskit-Solarzelle gehört eine Verbindung mit Perowskitstruktur, die meist aus einem organisch-anorganischen Hybridwerkstoff auf der Basis von Blei oder Zinn besteht, welcher als lichtsammelnde aktive Schicht dient. Perowskit-Werkstoffe, wie Methylammonium-Bleihalogenide, sind kostengünstig und relativ einfach herzustellen. Diese leicht zu synthetisierenden Werkstoffe gelten als die Zukunft der Solarzellen, da ihre markante Struktur eine kostengünstige und effiziente Photovoltaik ermöglicht.

Stabilität und Effizienz sind zwei wichtige Parameter für die kommerzielle Anwendung von Perowskit-Solarzellen (PSC). Das EU-finanzierte Projekt GOTSOLAR brachte Chemiker und Technologen aus der Schweiz und aus Polen zusammen, denen es gelang, eine Zelle mit deutlich weniger strukturellen Mängeln zu demonstrieren. Das Team erklärt, dass eine unerwartete Verbesserung der photovoltaischen Leistung zu beobachten war, wenn man für den Bau einer typischen Solarzelle Perowskite verwendete, die mithilfe von Mechanochemie hergestellt wurden. Statt mit herkömmlichen Verfahren stellte das Team die Perowskite mit Schleifverfahren her.

Die Forschung ist auf dem neuesten Stand der Mechanochemie, einem sich schnell entwickelnden Wissenschaftsgebiet, das sich mit chemischen Reaktionen befasst, die bei Aktivierung durch mechanische Kraft direkt zwischen Festphasenverbindungen auftreten.

Wie die Forscher in ihrer jüngsten Pressemitteilung erklären, stellen Perowskite eine große Gruppe von Werkstoffen mit der allgemeinen chemischen Formel ABX3 dar, die durch eine kubische kristalline Struktur gekennzeichnet sind. Die Atome von A befinden sich im Zentrum des Hexaeders, in der Mitte jeder Seitenwand befindet sich ein X-Atom, und die Ecken werden von Atomen des Elements B gebildet. Der Name dieser Werkstoffgruppe stammt von einem natürlich vorkommenden Mineral, Kalziumtitanat CaTiO3, das zu Ehren des russischen Geologen Leo Perowski Perowskit genannt wird.

„Im Laufe der Zeit hat sich herausgestellt, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieses Werkstoffs verbessert werden können, indem man Calcium, Titan und Sauerstoff durch andere Elemente ersetzt. Die gegenwärtig am häufigsten untersuchte Verbindung der Perowskitgruppe ist (CH3NH3)PbI3. Bei diesem Werkstoff werden Calcium-, Titan- und Sauerstoffionen durch Methylammonium- (in Position A), Blei- (in Position B) und Iodid- (in Position X) Ionen ersetzt.“

In diesem Projekt wurde erstmalig gezeigt, dass die Verbindung mithilfe mechanochemischer Reaktionen gemischter Perowskite hergestellt werden kann, d. h. solche, bei denen sich verschiedene Arten von Ionen in Position A abwechseln. Dabei handelt es sich um einen wichtigen Erfolg, denn bei einer sorgfältigen Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Perowskit-Werkstoffe können sie für spezifische Anwendungen in der Photovoltaik, Katalyse oder anderen Bereichen der Wissenschaft oder Technologie angepasst werden.

Die Menge an elektrischer Ladung, die sich an der Grenze einzelner Zellschichten ansammelt, ist eines der bestimmenden Qualitätsmerkmale. Ist die Ladung zu hoch, wird die Zelle schneller abgebaut. Im Projekt wurde gerade bekannt gegeben, dass mithilfe von Mechanochemie gewonnene Perowskite eine sehr homogene Schicht bilden, wodurch leistungsbeeinträchtigende Strukturmängel reduziert werden. Das Ergebnis ist eine Verringerung der auf der Oberfläche abgelagerten Ladungsmenge.

Die Beschichtung war nicht nur sehr gleichmäßig, sondern auch extrem dünn – das Team zeigte, dass seine Zellen mit einer Schicht von nur ~300 Nanometern effizient arbeiten können. Man weist im Projekt GOTSOLAR darauf hin, dass eine derart dünne Beschichtung die Stückkosten der Zellherstellung senken wird. Durch das neue Verfahren werden die Zellen stabiler und möglicherweise günstiger herzustellen sein, während der hohe Wirkungsgrad gleichzeitig erhalten bleibt.

Das Projekt GOTSOLAR (New technological advances for the third generation of Solar cells) schlägt einen einschneidenden Ansatz zur Entwicklung hocheffizienter, langlebiger und umweltfreundlicher PSC vor.

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