Von der Zelle zum Modul ohne Wirkungsgradeinbußen: Das ist eine der wesentlichen Herausforderungen der Perowskit-Photovoltaik. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun Perowskit-Solarmodule fast ohne Skalierungsverluste hergestellt. Dazu kombinierten sie die Serienverschaltung per Laser mit der Vakuumprozessierung aller Schichten der Solarzelle. Sie erreichten einen Wirkungsgrad von 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern – Weltrekord für vakuumprozessierte Perowskit-Solarmodule.
In der Photovoltaik gelten Perowskit-Halbleiter dank ihrer günstigen Verfügbarkeit, ihrer einfachen Herstellbarkeit sowie ihres enormen Wirkungsgradpotenzials als besonders zukunftsträchtige Materialien. Perowskit-Solarzellen haben im vergangenen Jahrzehnt eine einzigartige Entwicklung durchlaufen. Im Labor hergestellt erzielen sie inzwischen Wirkungsgrade von über 25 Prozent. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Nun gilt es, die Perowskit-Photovoltaik vom Labor in die Industrie zu bringen.
„Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die auf Flächen von wenigen Quadratmillimetern erzielten Wirkungsgrade auf typische Solarmodulflächen von einigen Hundert Quadratzentimetern zu übertragen“, sagt Dr. Tobias Abzieher, der am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT die Entwicklung aus dem Vakuum abgeschiedener Perowskit-Solarzellen leitet. Bei Perowskit-Solarzellen handelt es sich um Dünnschichtsolarzellen. Diese werden über die sogenannte monolithische Serienverschaltung zu großflächigen Solarmodulen zusammengefügt. Dazu werden während der Abscheidung der einzelnen Schichten der Solarzelle Strukturierungslinien eingebracht, die eine Serienverschaltung der so entstehenden Solarzellenstreifen bewirken.
Schichten der Solarzelle im Vakuum aufgedampft
Bei Perowskit-Solarmodulen kam es durch die Aufskalierung bisher zu deutlichen Wirkungsgradeinbußen. Erstens ist die Abscheidung der einzelnen Solarzellenschichten umso schwieriger, je größer die Flächen werden, und zweitens entstehen bei der Serienverschaltung sogenannte Totflächen zwischen den aktiven Solarzellenstreifen. Das sind Flächen, die später nicht zur Stromerzeugung beitragen können, für die Serienverschaltung aber benötigt werden. Dem Karlsruher Team ist es nun gelungen, durch das Aufdampfen aller Schichten der Solarmodule im Vakuum den Einfluss beider Verlustmechanismen zu minimieren. „Große Vorteile der Abscheidung aus dem Vakuum im Hinblick auf die Herstellung effizienter Solarmodule sind die einfache Beherrschbarkeit der Prozesse, die geringe Anzahl an Prozessparametern sowie insbesondere die Unabhängigkeit des Abscheidungsmechanismus von der Beschichtungsfläche“, erklärt Abzieher. Dieses innovative Verfahren haben die Forschenden mit der hochpräzisen Strukturierung und Serienverschaltung über das Eingravieren von Linien mittels eines Lasers kombiniert (monolithische Serienverschaltung). Damit haben sie erstmals ein großflächiges Perowskit-Solarmodul fast ohne Skalierungsverluste hergestellt – ein wichtiger Schritt vom Labor in die Industrie.
Mit der Kombination von Vakuumprozessierung und Laserablation erzielten die Forschenden am LTI Wirkungsgrade von bis zu 16,6 Prozent auf einer Bauteilfläche von über 50 Quadratzentimetern und von sogar 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern – Weltrekord für vakuumprozessierte Perowskit-Solarmodule. Ihre Ergebnisse präsentierten die Wissenschaftler auf der diesjährigen Frühjahrstagung der Materials Research Society (MRS). „Trotz der Vergrößerung der Bauteilfläche um einen Faktor von über 500 sind fast keine Wirkungsgradeinbußen zu beobachten“, berichtet David Ritzer vom LTI, der die hochpräzise Laserverschaltung entwickelt hat. Mit seinem Ansatz gelang es dem Karlsruher Team, die Skalierungsverluste bei Perowskit-Solarmodulen auf Werte zu senken, wie sie für in der Industrie bereits etablierte Photovoltaiktechnologien wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) erzielt werden.
Wirkungsgrade von über 20 Prozent auf größeren Flächen angestrebt
Künftig werden die Forschenden an der Optimierung des reinen Solarzellenschichtstapels sowie einer weiteren Reduzierung der Totflächen arbeiten. „Schöpfen wir das Potenzial der Technologie voll aus, ist die Herstellung von Perowskit-Solarmodulen mit Wirkungsgraden von deutlich über 20 Prozent auch auf noch größeren Flächen ein zeitnah realisierbares Ziel“, sagt Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold, Leiter der institutsübergreifenden „Taskforce Perovskite Photovoltaics“ am KIT. Die Forschung in der Abteilung „Next Generation Photovoltaics“ am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am LTI des KIT unter Leitung von Ulrich W. Paetzold wird finanziell vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Verbundvorhaben CAPITANO sowie innerhalb des EU-Rahmenprogramms für Forschung und Innovation Horizont 2020 im Projekt PERCISTAND unterstützt.
Details zum KIT-Zentrum Energie: www.energie.kit.edu
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.