Skalierbare Prozesse zur Herstellung von Perowskit-Solarmodulen

Perowskit-Halbleiter vereinen hervorragende optoelektronische Eigenschaften mit der einfachen Verarbeitung in Lösung und Ko-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. Highlights unserer Forschung sind die Demonstrationen von Rekordwirkungsgraden für Perowskit-Solarzellen mit tintenstrahlgedrucktem Absorber sowie Perowskit-Solarzellen mit einer Vielzahl von tintenstrahlgedruckten Schichten [1]. Ein weiterer Fokus unserer Arbeit beruht auf der Charakterisierung der Perowskit Schicht vom Absetzen auf dem Substrat bis zum auskristallisierten Perowskit. Hierfür hat unsere Arbeitsgruppe ein bildgebendes Multikanal Photolumineszenz Gerät entwickelt, welches die heranwachsende Perowskitschicht während des Trocknens, der Nuklearisierung und der Kristallisierung analysiert. Hierdurch ist zum Beispiel eine Aufschlüsselung der Perowskit Bildung durch Vakuum-unterstütztes Wachstum, welches als eine der vielversprechendsten Kontrollmechanismen bei der Ausbildung des Perowskits gilt, möglich [6].

Abbildung 1: Links: Schematische Darstellung des Tintenstrahldruckverfahrens und des Blade Coatings, sowie des Vakuum-unterstützen Wachstumsprozesses unter Beobachtung des entwickelten in-situ Photolumineszenz-Verfahrens. Rechts: Photolumineszenzaufnahmen von mit unterschiedlichen Auflösungen gedruckten Perowskitschichten nach verschiedenen Zeiten [6].

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 blade-coated 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 Beschichtungstechniken 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 ko-verdampfte vakuumgestützte Deposition von Perowskit-Dünnschichten 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 Labors sind mit speziellen Verdampfungssystemen ausgestattet, die die Ko-Verdampfung komplexer Zusammensetzungen von Perowskit-Halbleitern (z. B. Multi-Kationen und Kandidaten mit großer Bandlücke) und die Deposition auf Flächen von bis zu 15 cm ermöglichen.

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

Perowskit-Dünnschicht-Solarmodule

Neben der Herstellung immer größerer und hochwertigerer Perowskit-Schichten umfasst das Upscaling auch die Herstellung der Verbindungslinien (siehe Abbildung 4a), die das Solarmodul (siehe Abbildung 4b) bilden, indem sie mehrere Zellstreifen in Reihe schalten. Die Laserablation, auch Laser-Scribing genannt, ist ein vielversprechender Ansatz für die Herstellung der Verbindungslinien, da Laser eine hochpräzise, schnelle, kostengünstige und flexible Herstellung der erforderlichen Strukturen ermöglichen. Beim Laser Scribing treffen fokussierte Laserpulse auf die jeweiligen Schichten der Solarzelle und erzeugen durch Verdampfung oder spannungsinduzierte Ablösung des Materials die notwendigen Gräben. Die Gräben ermöglichen dann die Reihenschaltung von Zellstreifen, die in den Herstellungsprozess der Schichten integriert sind. Um das Verfahren zu optimieren, werden das Abtragsverhalten, die Ablagerungen von Abtragstrümmern und die laserinduzierte Materialveränderung untersucht. Zu den Höhepunkten unserer Arbeit gehört das hochselektive Laserritzen zur Herstellung von Verbindungslinien mit minimalen nachteiligen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Module (siehe Abbildung 4c). Durch die Kombination mit homogenen, vollständig verdampften Schichten und einer präzisen Ausrichtung der Laserstrukturierung kann der relative Wirkungsgradverlust zwischen Zellen und Modulen auf unter 7%_rel und die Gesamtbreite der Verbindungen auf bis zu 150µm reduziert werden [10].

Abbildung 4: Verschaltung von Perowskit-Solarmodulen. a) Schematische Darstellung der seriellen Verschaltung von Dünnschicht-Solarzellen zu Modulen unter Verwendung von P1-, P2 und P3-Leitungen mit einem beispielhaften Schichtstapel von Solarzellen auf Perowskit-Basis. b) Bild von zwei vollständig aufgedampften Perowskit-Modulen mit monolithischen Verschaltungen auf Substraten von 80 x 80 mm² und 30 x 30 mm². c) Energiedispersive Röntgenbeugungsmessungen, die die hohe Selektivität, den rückstandsfreien Abtrag und die geringen Abmessungen der lasergeschriebenen Verschaltungskanäle belegen [10]. 

Slot-Die-Beschichtete Perowskit-Dünnschicht-Photovoltaik

Die Übertragung der heutigen Prozesse im Labormaßstab auf große Flächen mittels Slot-Die-Beschichtung (SDC) steht noch vor großen Herausforderungen. Der Grund dafür ist, dass etablierte, industrielle Beschichtungstechniken wie SDC während der gesamten komplexen Perowskit-Filmbildung nur schwer zu kontrollieren sind. Daher ist es ein äußerst interessantes Forschungsgebiet, die Auswirkungen der mit der Beschichtung und Trocknung verbundenen Transportmechanismen, Phänomene und Parameter zu untersuchen und besser zu verstehen. Systematische Strategien für den Prozesstransfer erfordern ein besseres Verständnis der beteiligten Fluidik und dynamischen Prozesse. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Art der wissenschaftlichen experimentellen Arbeit einen einzigartigen Einblick in die theoretische Komplexität der Perowskitbildung sowie in die Grenzen und das Verständnis der notwendigen Realitätsprüfung vermittelt.

Abbildung 5: Gloveboxen in unserem Upscaling-Labor, in denen sich der Slot-Die-Beschichter befindet, und Schema der Lösungsabgabe während der Slot-Die-Beschichtung mit verschiedenen Metallschlitzkonfigurationen (Lippen), die die Dicke und Qualität des abgeschiedenen Nassfilms verändern.

(In situ) Photolumineszenz-Bildgebung

Bei der Skalierung von Perowskit-Solarzellen auf große Flächen ist die Prozessüberwachung der Filmbildung von entscheidender Bedeutung, um die Qualität der Perowskit-Dünnfilme lateral zu kontrollieren. Die Photolumineszenz (PL)-Bildgebung eignet sich hervorragend für diese Aufgabe in jedem Maßstab - sie ist in der Lage, Perowskit-Absorberschichten oder komplette Perowskit-Solarzellen in wenigen Millisekunden nicht-invasiv zu charakterisieren. Die PL-Bildgebung kann beispielsweise zur Beurteilung der Homogenität bereits hergestellter Perowskit-Dünnschichten [11] [12] oder zur In-situ-Überwachung der Bildung des Perowskit-Materials [13] [14] [15] eingesetzt werden und liefert so frühzeitig entscheidende Informationen über dessen optoelektronische Qualität.

Abbildung 6: Schematische Darstellung des Photolumineszenz (PL)-Aufbaus (links). Beispielhafte Zeitreihe von PL-Bildern eines blade-coated Perowskit-Dünnfilms (rechts).

Skalierbare monolithische All-Perowskit-Tandemsolarmodule

Unter den Tandem-Solarzellen auf Perowskit-basis haben 2-terminal All-Perowskit-Tandem-Solarzellen aufgrund ihrer niedrigen Herstellungskosten, ihrer mechanischen Flexibilität, ihrer vollständig lösungsbasierten Verarbeitbarkeit und ihrer Flexibilität bei der Entwicklung verschiedener Architekturen mit unterschiedlichen Perowskit-Bandlücken große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Daher wird davon ausgegangen, dass sie einen beträchtlichen Anteil am zukünftigen PV-Markt haben werden, vorausgesetzt, die Herausforderungen der Stabilität und Skalierbarkeit werden gemeistert.
Das PV-Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Bahram Abdollahi Nejand und Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold konnte erfolgreich einen soliden Prototyp für die Hochskalierung hocheffizienter 2-terminal All-Perowskit-Tandemsolarzellen entwickeln (mit Wirkungsgraden von bis zu 23.5 % bei einer aktiven Fläche von 0,1 cm²).  Dieses wurde in einem All-Perowskit-Tandem-Mini-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 19,1 %, bei einer Aperturfläche von 12,25 cm² und einem GFF von 94,7-96,3 % integriert, wobei durch das Upscaling-Verfahren ein hoher Wirkungsgradverlust (nur ~2 % relativ) vermieden wird (Abbildung 7). Diese enorme Leistung wurde weltweit zum ersten Mal berichtet. Sie ebnet den Weg für die weitere Entwicklung von großflächigen All-Perowskit-Tandemsolarmodulen.

Abbildung 7: a) Herstellungsverfahren für skalierbare All-Perowskit-Tandemsolarmodule (Kombination von Blade-Coating- und Vakuumbeschichtungsverfahren). b) Monolithische Architektur des All-Perowskit -Tandems. c) Fotografie der Vorderseite des Tandemmoduls mit einer Aperturfläche von 12,25 cm2. d) Stromdichte-Spannungs-Charakteristik (J-V) der schrittweise akkumulierten Tandemzellstreifen des Moduls. Verwendet aus der Veröffentlichung von B. Abdollahi Nejand et. al [11].