Numerische und experimentelle Untersuchung von Sprühprozessen zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen versprechen höchste Effizienz. Die großflächige industrielle Fertigung scheitert jedoch bisher an der Komplexität des Sprühprozesses. Ein reproduzierbares, skalierbares Verfahren soll Abhilfe für die Branche schaffen. Im Projekt »INTERVENTION« untersuchten wir die Optimierung des Spray-Coatings, durch Kombination von digitaler Simulation und experimenteller Charakterisierung. Ein Forschungsteam entwickelte datengesteuerte Lösungen zur systematischen Parameteroptimierung. Ziel des Projekts war eine effizientere Fertigung auf großen Waferformaten sowie schnellere Optimierung ohne aufwändige Versuchsreihen – ein entscheidender Schritt zu wirtschaftlich rentablen Hochleistungs-Solarzellen.

Ausgangslage

Die Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle ist eine Schlüsseltechnologie zur Effizienzsteigerung von Photovoltaikmodulen. Wir verfolgen für die Herstellung die Hybridroute, bei der der anorganische Anteil des Absorbers aufgedampft, der organische Teil dann aus einer Lösung abgeschieden werden soll. Für diese Abscheidung eignet sich das Spray-Coating, das jedoch hochkomplex ist und eine Vielzahl an kritischen Stellparametern aufweist. Aufgesprühte Schichten sind häufig inhomogen, was Qualität und Effizienz beeinträchtigt. Eine experimentelle Optimierung ist zeit- und kostenintensiv und damit oftmals unmöglich.

Ein rein empirischer Ansatz ist nicht praktikabel. Das Projekt bediente sich daher eines hybriden Ansatzes: Simulationen in Kombination mit experimentellen Untersuchungen ermöglichen ein tieferes Verständnis für das Verfahren und tragen so zur Prozessoptimierung bei. Experimentelle Ergebnisse validieren die Simulationsmodelle, die das Prozessverhalten vorhersagen. So wurden die optimalen Parameter für den Sprühprozess systematisch ermittelt. Sie sind Voraussetzung für die effiziente und skalierbare Fertigung einer neuen Generation von Hochleistungssolarzellen.

Ziel

Eine Charakterisierung des Sprühnebelaufbaus und der Schichtqualität bildete die Grundlage für Optimierungen. Darauf aufbauend entwickelten wir validierte Simulationsmodelle, die den Prozess zuverlässig abbilden und als Vorhersageinstrumente eingesetzt werden konnten. Durch datengesteuerte Analysemethoden identifizierten wir die optimalen Prozessparameter, die eine konsistente Schichtqualität sicherstellen. Mit diesen Parametern erzielen wir reproduzierbare Ergebnisse auf großen Waferformaten, die Voraussetzung für die industrielle Anwendung sind. Langfristig ermöglicht dieser Forschungsansatz die Skalierbarkeit auf industrielle Fertigungsprozesse und damit die wirtschaftliche Viabilität von Perowskit-Solarzellen.

Lösung

Zum Erreichen der Forschungsziele wurden im Projekt »Intervention« folgende Methoden verfolgt:

Charakterisierungsprozesse

• Sprühnebel-Visualisierung: Eine Laser-gestützte Visualisierung ermöglicht eine qualitative Charakterisierung des Sprühnebels.
• Streifenmuster-Quantifizierung: Fourier-Transformation quantifiziert die Streifenmuster der aufgesprühten Schichten und liefert eine objektive Methode zur Bewertung der Schichtqualität.
• Farbkalibrierung-Validierungsmethode: Fluoreszierend gefärbte Schichten werden via Photolumineszenz erfasst. Die zuvor erstellte Kalibrierkurve ermöglicht eine ortsaufgelöste Auswertung der aufgesprühten Menge.
   

Experimentelle Validierung und Simulation

• Hochaufgelöste Photolumineszenzaufnahmen der Experimente validieren das Simulationsmodell und ermöglichen statistische Auswertung zur Identifikation von Haupteffekten und Wechselwirkungen der Prozessparameter.
• Ein robustes Simulationsmodell und eine umfassende Parameterstudie ermöglichen schnelle Vorhersage optimaler Parameter – ohne aufwändige experimentelle Versuchsreihen.
• Schneller und kostengünstiger durch Experiment-Simulation-Integration

Ergebnisse

Im Rahmen des Forschungsvorhabens »INTERVENTION« konnten wir den zuvor nahezu unkontrollierbaren Prozess des Spray-Coatings systematisch optimieren, um den komplexen Sprühprozess steuerbar zu machen. Konkret können wir die folgenden Forschungserfolge verzeichnen:

• Zuverlässige Sprühnebelvisualisierung: Der Prozess ist nun visuell charakterisierbar.
• Quantifizierung der Streifenmuster: Fourier-Transformation ermöglicht objektive Schichtqualitätsbewertung.
• Ortsaufgelöste Messmethode: Eine Farbkalibrierung mit Fluoreszenzfarbstoff und bildgebender Photolumineszenz ermöglicht die räumlich hochaufgelöste Validierung von Simulationen und Optimierung der Sprühparameter.
• Validiertes Simulationsmodell: Erfolgreich entwickelt für Parameterstudien über Tropfengröße, -geschwindigkeit, Substrattemperatur, und Lösemittel.
• Optimierte Prozessparameter: Design of Experiments zusammen mit einer Parameterstudie liefert konkrete Empfehlungen für kritischen Parameter.