| Naturwissenschaften: Physik und Umwelt |
 |
Solarenergie Fotovoltaik |
|
Solarenergie Weitere Informationen |
|
| Solarenergie |
 |
| Neues Herstellungsverfahren für Perowskit-Zellen |
 |
Der Halbleiter Perowskit gilt als neue Hoffnung, den Herstellungspreis für Solarzellen unter denjenigen des bislang verwendeten Siliciums zu drücken. Die Empa entwickelt neue Herstellungsverfahren, um Perowskit-Solarzellen nicht nur günstiger, sondern auch schneller zu produzieren und fit für die Industrie zu machen.
Seit der Entwicklung der ersten Perowskit-Solarzelle im Jahr 2009 liegt deren Wirkungsgrad mittlerweile gleichauf mit demjenigen einer herkömmlichen Silicium-Zelle. Doch sie wies anfangs noch einige Schwächen auf; so reagiert sie beispielsweise Aufgrund ihres Aufbaus und der verwendeten Materialien sehr empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung. Dadurch wird die Zelle weniger lange haltbar.
Eine Lösung für dieses Problem fanden Michael Grätzel und Hongwei Han im Jahr 2014, als die beiden EPFL-Forscher eine Zelle mit einem Gerüst aus Oxiden und Kohlenstoff entwickelten. Doch diese Idee war noch nicht markttauglich.
Zumindest bis jetzt: Frank Nüesch, Leiter der Empa-Abteilung Funktionspolymere, und sein Team arbeiteten in den letzten Jahren intensiv an neuen Herstellungsverfahren für eben diese Solarzellen, um sie nicht nur schneller, sondern auch günstiger zu produzieren. Dazu arbeiteten die Forschenden im Rahmen eines Projekts des Bundesamtes für Energie (BFE) mit dem Westschweizer Unternehmen Solaronix SA zusammen. Gemeinsam stellten sie eine funktionsfähige Perowskit-Zelle im Labormassstab mit einer Fläche von 10x10cm her.
Schlitzdüse statt Siebdruck
Für die Herstellung dieser neuartigen Perowskit-Zelle kommt das sogenannte Schlitzdüsenverfahren zum Einsatz. Dabei wird die Materialschicht auf eine Glasschicht aufgetragen und im Anschluss strukturiert, indem überschüssiges Material mittels Laser entfernt wird. «Mit dem neuen Beschichtungsverfahren können wir nicht nur schneller beschichten, sondern auch die Dicke der einzelnen Schichten flexibler festlegen», so Nüesch. Mit dem Schlitzdüsenverfahren lassen sich künftig relativ einfach und schnell meterlange Bahnen beschichten. Die erhöhte Beschichtungsgeschwindigkeit ist dann auch das zentrale Element bei einer möglichen Industrialisierung der Perowskit-Zellproduktion.
 |
| Insgesamt fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien, darunter Titanoxid (TiO2), Zirkonoxid (ZrO2) und Graphit (Kohlenstoff = Carbon C), sind für eine solche Zelle nötig. Während beim bisherigen Siebdruck Verfahren die Schichten einzeln getrocknet und gesintert (also verdichtet) werden müssen - was viel Zeit und Energie in Anspruch nimmt -, lassen sich beim Schlitzdüsenverfahren sämtliche Schichten direkt nacheinander auftragen und gemeinsam sintern. «Mit diesem neuen Verfahren können wir sieben Mal schneller 'drucken' als mit der bisherigen Methode im Siebdruck», erklärt Nüesch. |
|
Den finalen Touch erhält die Perowskit-Solarzelle durch das Aufbringen des Perowskit-Absorbers mittels Tintenstrahl-Druck im «Coating Competence Center» der Empa - dem sogenannten Infiltrieren. Dabei wird das Perowskit nicht wie bisher als feste Schicht auf das Substrat aufgebracht, sondern sickert durch alle porösen Unterschichten der Solarzelle bis zum Boden.
Im Praxistest erfolgreich
Die Forschenden haben gezeigt, dass ihre Entwicklungen nicht nur im Laborversuch funktionieren, sondern auch wirklich praxistauglich sind. So liefert das vorgestellte Herstellungsverfahren grosse Mengen des Katalysatorpulvers und dürfte sich leicht an einen industriellen Massstab anpassen lassen. "Es war uns auch wichtig, den Katalysator selbst einem echten Praxistest zu unterziehen. Wir haben hier am PSI natürlich Messanlagen, in denen wir das Material untersuchen können, aber am Ende kommt es darauf an, wie sich das Material in einer industriellen Elektrolysezelle, wie sie in kommerziellen Elektrolyseuren eingesetzt wird, verhält", so Fabbri. Daher testeten die Forschenden den Katalysator in Kooperation mit einem amerikanischen Hersteller von Elektrolyseuren und konnten dabei zeigen, dass das Gerät mit dem neuen Perowskit der PSI-Forscher zuverlässiger arbeitete als mit einem konventionellen Iridium-Oxid-Katalysator.
In Tausendstelsekunden untersucht
Darüber hinaus konnten die Forschenden auch genau untersuchen und nachvollziehen, was in dem neuen Material passiert, wenn es aktiv ist. Dafür durchleuchteten sie es mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier steht für die Forschenden ein weltweit einzigartiger Messplatz zur Verfügung, an dem sich der Zustand eines Materials in Zeiträumen von 200 Tausendstelsekunden untersuchen lässt. "So können wir verfolgen, wie sich der Katalysator während der katalytischen Reaktion verändert: Wir sehen, wie sich die elektronischen Eigenschaften oder die Anordnung der Atome ändern", so Fabbri. "An anderen Anlagen dauert eine einzelne Messung rund 15 Minuten, sodass man dort höchstens ein gemitteltes Bild bekommt." Ein Ergebnis dieser Messungen ist, dass sich die Struktur an der Oberfläche der Partikel im Betrieb verändert - das Material wird zum Teil amorph, die Atome sind also in einzelnen Bereichen nicht mehr regelmässig angeordnet. Das Unerwartete an dem Ergebnis ist, dass das Material dadurch zu einem besseren Katalysator wird.
nach
oben
| Links |
|
 |
|
Externe
Links |
|
