Skalierbare Prozesse zur Herstellung von Perowskit-Solarmodulen

Perowskit-Halbleiter vereinen hervorragende optoelektronische Eigenschaften mit der einfachen Verarbeitung in Lösung und Co-Verdampfung sowie mit kostengünstigen Vorläufermaterialien. Die großtechnische Abscheidung von lochfreien und qualitativ hochwertigen Dünnschichten stellt jedoch eine Herausforderung dar. Um das Scale-up von Perowskit-Solarmodulen voranzutreiben, erforscht unser Team diese Technologien und Prozesse:

Skalierbare Herstellung von lösungsbasierten Perowskit-Dünnschichten

Für die lösungsbasierte Abscheidung von großflächigen, lochfreien Perowskit-Dünnschichten werden die Vorläuferlösungen gedruckt und müssen anschließend kontrolliert getrocknet und kristallisiert werden. Unser Team hat mit Tintenstrahldruckern beschichtete Perowskit-Solarzellen [1] [2] [3] [4] [5] entwickelt, die mit Blades und Slots beschichtet sind. Ein Highlight unseres Teams ist die Demonstration von Rekord-Leistungsumwandlungswirkungsgraden in tintenstrahlgedruckten Perowskit-Solarzellen im Jahr 2019 [1]. In dieser Studie haben wir mit Tintenstrahl gedruckte Perowskit-Schichten von außergewöhnlicher Dicke (> 1 µm) mit großer säulenförmiger Kristallstruktur entwickelt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Tintenstrahldruckverfahrens. Bild eines injizierten Perowskit-KIT-Logos auf einem PET-Substrat. Tintenstrahlgedruckte lumineszierende Downshifting-Schichten (LDS) auf den Perowskit-Schichten.

 

Prozesskontrolle und In-situ-Charakterisierung von lösungsgefertigten Perowskit-Dünnschichten

Die Steuerung der Keimbildung und des Kristallwachstums von lochfreien Perowskit-Dünnschichten über große Flächen ist nicht nur eine technische Herausforderung, sondern erfordert auch ein Verständnis der Trocknungsdynamik und der verschränkten Prozesse während der Bildung der multikristallinen Dünnschichten [6]. Aus diesem Grund sind wir besonders an der Anwendung der optischen In-situ-Spektroskopie interessiert, um die Trocknungs-, Keimbildungs- und Kristallisationsprozesse zu analysieren. Ein Highlight unseres Teams auf diesem Gebiet ist unsere Studie zur in situ Charakterisierung der Trocknungsdynamik von blattbeschichteten Perowskit-Solarzellen [7]. Die Studie berichtet über ein Modell für die Trocknungsdynamik, das zu einer verbesserten Leistung der Solarzellen führt. Um diese Forschungsaktivitäten auszuweiten, haben wir eine spezielle Plattform zur In-situ-Charakterisierung von lösungsgefertigten Perowskit-Dünnschichten eingerichtet. Diese einzigartige Plattform kombiniert Interferometrie, (transiente) Photolumineszenz, Weißlicht-Interferometrie und Raman-Spektroskopie.

Abbildung 2: Die einzelnen Schritte der lösungsbasierten Abscheidung von Perowskit-Dünnschichten. Die Optimierung der Keimbildung und Kristallisation ist wichtig für hochwertige Perowskit-Absorber.

 

Aufgedampfte Perowskit-Dünnschicht-Photovoltaik

Die vakuumbasierten Abscheidetechniken sind ein gängiger Weg zur Herstellung großflächiger Dünnschicht-Photovoltaik, der eine ausgezeichnete Homogenität und eine hohe Ausbeute bei der Herstellung bietet. Im Bereich der Perowskit-Photovoltaik ist die vakuumgestützte Abscheidung von Perowskit-Dünnschichten durch Koaufdampfung jedoch weniger erforscht und bisher auf einige wenige Materialzusammensetzungen beschränkt. Infolgedessen bleiben die nachgewiesenen Wirkungsgrade hinter denen der in Lösung hergestellten Geräte zurück. Unser Team entwickelt die vollständig aufgedampfte Perowskit-Photovoltaik als vielversprechenden Ansatz für die industrielle Herstellung im großen Maßstab [8] [9]. Unsere Labore sind mit speziellen Verdampfungssystemen ausgestattet, die die Co-Verdampfung komplexer Zusammensetzungen von Perowskit-Halbleitern (z. B. Multi-Kationen und Kandidaten mit großer Bandlücke) und die Abscheidung auf Flächen von bis zu 6 Zoll ermöglichen.

Abbildung 3: Handschuhkästen unseres Upscaling-Labors und Foto eines aufgedampften Perowskit-Dünnfilms.

 

Perowskit-Dünnschicht-Solarmodule

Wir bieten eine Basisplattform für die Bearbeitung von Solarmodulen mit einer Fläche von bis zu 20x20 cm². Höhepunkte dieser Arbeit sind unser vollbedampftes Perowskit-Solarmodul aus dem Jahr 2021 [8] und unsere Arbeit an Perowskit/CIGS-Tandemsolarmodulen [10].

Abbildung 4: Großflächige vollverdampfte Perowskit-Solarmodule und Foto von Perowskit/CIGS-Tandemsolarmodulen.