Perowskit-Solarzellen: Auf dem Weg zum gezielten Design von Tinten für die industrielle Fertigung
Schematische Darstellung: Aus der Tinte bildet sich über Zwischenphasen eine polykristalline Perowskit-Dünnschicht. © HZB
Für die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige Photovoltaikmodule werden oft optimierte „Tinten“ verwendet, die eine Mischung von Lösungsmitteln enthalten. Ein HZB-Team hat nun an BESSY II analysiert, wie die Kristallisationsprozesse in solchen Mischungen ablaufen. Mit einem neu entwickelten Modell ist es zudem nun möglich, die Kinetik der Kristallisationsprozesse für verschiedene Lösungsmittelgemische vorab zu bewerten. Dies ist hilfreich für die Produktion von Perowskit-Modulen im industriellen Maßstab.
Hybride organische Perowskit-Halbleiter ermöglichen Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden bei niedrigen Kosten. Sie können aus Vorläuferlösungen hergestellt werden, die nach dem Auftragen auf ein Substrat einen polykristallinen Dünnfilm bilden. Einfache Herstellungsverfahren wie das Aufschleudern einer Vorläuferlösung führen oft nur im Labormaßstab, d.h. bei sehr kleinen Proben, zu guten Ergebnissen.
Perowskit-Schichten aus dem Tintendrucker
Für die Herstellung großflächiger Photovoltaikmodule 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 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.
Unterschiedliche Verdampfungsraten
In Lösungsmitteln mit nur einer Komponente wird der Kristallisationsprozess durch die Verdampfungsrate bestimmt. „Bei Mischungen aus verschiedenen Lösungsmitteln wird die Verdampfung von der flüchtigsten Komponente dominiert, die am schnellsten verdampft. Dadurch ändert sich das Verhältnis der Lösungsmittel, die bei der Kristallisation vorhanden sind", sagt Dr. Oleksandra Shargaieva, Postdoc in Ungers Team. 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“, sagt Shargaieva.
Wissensbasierte Optimierung
„Diese Erkenntnisse sind hilfreich, um die Kinetik der Kristallisationsprozesse des Perowskit-Dünnfilms für verschiedene Lösungsmittelkombinationen zu berechnen", sagt Shargaieva. Und Unger ergänzt: „Beim Aufskalieren vom Labormaßstab mangelt es noch an systematischem Wissen. 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.“
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.