Drucken von Solarzellen auf dünne Folien für günstigere und effizientere Solarenergie

Von Swansea University, 14. Juli 2020

Zweistufige Roll-to-Roll-Beschichtung von Perowskit-Dünnfilmen an der Swansea University, wo Forscher des SPECIFIC-Projekts Rekordeffizienzniveaus für gedruckte Solarzellen erreicht haben. Bildnachweis: SPECIFIC/Swansea University

Wichtiger Schritt hin zu günstigerer und effektiverer Solarenergie.

Eine neue Studie meldet den höchsten Wirkungsgrad, der jemals für vollständig gedruckte Perowskit-Solarzellen (PSCs) von Rolle zu Rolle gemessen wurde, und markiert damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu günstigeren und effizienteren Methoden zur Erzeugung von Solarenergie.

Ein Team am SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre der Swansea University unter der Leitung von Professor Trystan Watson hat berichtet, dass es eine Rolle-zu-Rolle-Herstellungsmethode für vier Schichten von Schlitzdüsen-beschichteten PSCs verwendet.

Die PSCs lieferten eine stabile Leistungsabgabe von 12,2 % – die höchste Effizienz, die bisher für vier Schichten von Rolle-zu-Rolle-gedruckten PSCs verzeichnet wurde.

PSCs sind ein Neuling in der Photovoltaikbranche und haben bei Forschern auf der ganzen Welt bemerkenswerte Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Da die Effizienz ein ähnliches Niveau wie die Silizium-Photovoltaik (PV), dem derzeitigen Marktführer, erreicht, wurde die Aufmerksamkeit auf die Hochskalierung von PSCs gelenkt.

Dünne flexible Filme mit gedruckten Solarzellen sind ein wichtiger Schritt hin zu billigerer und effizienterer Solarenergie – Forscher der Swansea University haben Rekordeffizienzwerte für Perowskit-Solarzellen nachgewiesen. Bildnachweis: SPECIFIC/Swansea University

Im Gegensatz zu Silizium-PV, das Hochtemperatur- und Hochvakuumabscheidungen erfordert, können PSCs bei niedriger Temperatur lösungsverarbeitet werden, was die Herstellungskosten erheblich senkt.

Die Niedertemperaturverarbeitung ermöglicht die Verwendung von Kunststoffsubstraten zur Herstellung flexibler Solarzellen.

Die Fähigkeit zur Lösungsverarbeitung bietet die Möglichkeit, verschiedene ausgereifte Druck- und Beschichtungstechniken anzuwenden:

Diese Vorteile ermöglichten es den Forschern der Swansea University, die Rolle-zu-Rolle-Herstellung für vier Lagen PSCs zu nutzen.

Die Schlitzdüsenbeschichtung bietet gegenüber den Alternativen mehrere Vorteile: Es handelt sich um eine vordosierte Technik, was bedeutet, dass die Nassfilmdicke vor der Beschichtung gesteuert werden kann. Darüber hinaus ist der Materialverbrauch äußerst effizient, da der Materialverlust im Vergleich zur Sprühbeschichtung oder zum Siebdruck minimal ist.

Die Verwendung der notwendigen giftigen Lösungsmittel im industriellen Maßstab erfordert eine umfangreiche Luftaufbereitung, um die Sicherheitsgrenzwerte einzuhalten, was erhebliche und unnötige Kosten verursachen kann. Aus diesem Grund wurde ein Acetonitril-basiertes System verwendet. Dieses System hat aufgrund der niedrigen Viskosität und der geringen Oberflächenspannung einen rheologischen Vorteil, was zu besseren Beschichtungen führt.

Gleichzeitig wurde eine ternäre Mischung von Lösungsmitteln mit hohen Grenzwerten für die Arbeitsplatzexposition eingeführt, die Chlorbenzol für die Abscheidung von Lochtransportmaterial ersetzten. In dieser Untersuchung ergaben die PSCs eine stabile Leistungsabgabe von 12,2 %, was den höchsten Wirkungsgrad darstellt, der für vier Schichten von Rolle-zu-Rolle-gedruckten PSCs gemeldet wurde.

Eine komplette Solarzelle für eine gewählte Architektur erfordert die Beschichtung von fünf Schichten. Dabei wurden vier Schichten mittels Breitschlitzdüsenbeschichtung beschichtet und der obere Kontakt mittels thermischer Verdampfung aufgebracht. Eine Schlitzdüsenbeschichtung des fünften (oberen) Kontakts ohne Zerstörung der darunter liegenden Schichten ist noch nicht gelungen. Die Lösung dieses Problems würde die Herstellung eines vollständig von Rolle zu Rolle bedruckten PSC ermöglichen.

Rahul Patidar von SPECIFIC, leitender Forscher des Projekts, sagte:

„Perowskit-Solarzellen zielen darauf ab, die Effizienz zu steigern und die Kosten der herkömmlichen Solarenergieerzeugung zu senken. Sie haben das Potenzial, hocheffizient und relativ kostengünstig herzustellen zu sein, daher besteht das Ziel darin, die Herstellungsmethoden für eine Hochskalierung zu verbessern.“

Diese Studie bedeutet den nächsten Schritt in Richtung Kommerzialisierung.“

Die Forschung wurde in Sustainable Energy and Fuels veröffentlicht.

Referenz: „Roll-to-Roll Slot-Die-beschichtete P-I-N-Perowskit-Solarzellen unter Verwendung eines einstufigen Perowskit-Lösungsmittelsystems auf Acetonitrilbasis“ von Daniel Burkitt, Rahul Patidar, Peter Greenwood, Katherine Hooper, James McGettrick, Stoichko Dimitrov, Matteo Colombo , Vasil Stoichkov, David Richards, David Beynon, Matthew Davies und Trystan Watson, 4. Mai 2020, Sustainable Energy and Fuels.DOI: 10.1039/D0SE00460J

Das Ziel des SPECIFIC Innovation & Knowledge Center ist es, die Kohlenstoffemissionen von Gebäuden zu reduzieren, indem eine Reihe von Technologien entwickelt werden, die Solarenergie nutzen, um Wärme und Strom in Gebäuden zu erzeugen, zu speichern und abzugeben. Das Zentrum arbeitet auf allen Ebenen, von der Grundlagenforschung im Labor bis zur umfassenden Demonstration an Gebäuden, und arbeitet mit Industriepartnern zusammen, um neue Technologien auf den Markt zu bringen. SPECIFIC wird von der Swansea University geleitet und vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung über die walisische Regierung, Innovate UK und EPSRC finanziert.