Die Sonne ist eine unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle. Deshalb nimmt die Photovoltaik bei der Energieerzeugung in Deutschland eine immer wichtigere Rolle ein. Und das Potenzial der kleinen Kraftwerke ist längst nicht ausgereizt.
Zu den vielversprechenden Materialien für Solarzellen– mit einem hohen Wirkungsgrad und kostengünstig in der Herstellung – gehören die metallorganischen Perowskite. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht aus Nickeloxid entwickelt, die großflächig abscheidbar ist und in diesen Solarzellen zu Rekordeffizienzen führt.
Mit Wirkungsgraden von über 24 Prozent im Labor gehören Perowskit-Solarzellen heute zu den effizientesten Dünnschichttechnologien der Photovoltaik. Sie versprechen im Vergleich zu den Silizium-Solarzellen, die derzeit den Markt dominieren, eine deutlich günstigere und einfachere Herstellung.
Trifft Sonnenlicht auf den Perwoskit-Absorber, lösen sich dort Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand und werden energetisch angeregt. Gleichzeitig bleiben positiv geladene Fehlstellen als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der Solarzelle entnehmen zu können, müssen diese Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt werden. In Perowskit-Solarzellen geschieht dies durch selektive Ladungsträgerschichten, also Membranen, die entweder nur die Elektronen oder nur die Löcher passieren lassen“, erklärt Tobias Abzieher, Doktorand am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Damit erfordern effiziente Perowskit-Solarzellen nicht nur eine Optimierung der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht, sondern auch dieser ladungsträgerselektiven Schichten.“
Zusammen mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT hat Abzieher eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht für Perowskit-Solarzellen auf Basis von Nickeloxid (NiO x ) entwickelt. Diese Schicht ist nicht nur kostengünstig, sondern auch im Gegensatz zu den üblichen organischen Materialien unempfindlicher gegenüber Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Substrat abzuscheiden, nutzen wir eine Vakuumprozesstechnik – die Elektronenstrahlverdampfung. Dabei lagert sich das Metalloxid mittels Bedampfung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht großflächig homogen sowie – dank der geringen Anzahl an Prozessparametern– mit gleichbleibend hoher Qualität herstellen“, so Abzieher.
Wirkungsgrade erzielen Weltrekord
Für vollständig vakuumprozessierte Perowskit-Solarzellen erzielt das Team Wirkungsgrade von bis zu 16,1 Prozent und demonstriert damit eine der effizientesten Perowskit-Solarzellen auf Basis dieser Methode. Neben der reinen Vakuumabscheidung bildet das hocheffiziente Substrat auch einen idealen Ausgangspunkt für die Abscheidung des Absorbers per Tintenstrahldruck – das heißt, mittels einer Drucktechnik, wie man sie von daheim kennt. Mit diesem Verfahren stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Weltrekord auf: Sie erzeugen mit tintenstrahlgedruckten Absorberschichten Wirkungsgrade von bis zu 18,5 Prozent. „Aktuell dominiert in der Entwicklung die Abscheidung per Drehrotationsbeschichtung, für die Wirkungsgrade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerdings lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertragen“, sagt Tobias Abzieher.
„In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf skalierbare Herstellungsverfahren. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die Perowskit-Photovoltaik aus dem Labor in die Fabriken zu bringen“, so Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Arbeitsgruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und dem Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. An dem Projekt ist neben dem KIT auch das Innovation Lab in Heidelberg beteiligt. Die Forschung wurde unterstützt durch das BMBF, die Initiierungs- und Vernetzungsförderung der Helmholtz-Gemeinschaft sowie die Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP).
