Perowskit-Dünnschichtphotovoltaik

Perowskitbasierte Photoabsorber weisen eine niedrige Materialkritikalität auf, besitzen ein hohes Lichtabsorptionsvermögen und können durch Einstellung der chemischen Zusammensetzung gezielte optische Eigenschaften erlangen. Dadurch sind Perowskite interessant für den Einsatz in Mehrfachsolarzellen: durch Stapelung mehrerer Perowskitsolarzellen mit unterschiedlicher Bandlücke kann der Wirkungsgrad signifikant erhöht werden und das theoretische Maximum von Einfachsolarzellen übertreffen.

Im Geschäftsfeldthema »Perowskit-Dünnschichtphotovoltaik« beschäftigen wir uns mit der Entwicklung skalierbarer Herstellungsprozesse für Perowskitsolarzellen und -module. Hierbei stehen Niedrigtemperaturprozesse im Fokus, in denen funktionale Schichten aus Lösung abgeschieden oder gedruckt werden. Dies ermöglicht es, die Bauteile auch auf flexiblen Substraten herzustellen, um neue Anwendungsfelder zu erschließen - insbesondere im Bereich der integrierten Photovoltaik. Wir betreiben unsere Forschung auf internationalem Niveau und sind Ansprechpartner für industrielle und akademische Akteure im Bereich der Beschichtungstechnologie, Zellherstellung und Systemintegration. 

• Materialscreening und Zellstapel-Optimierung von organischen Solarzellen
• Graphitbasierte Elektroden für Perowskit-Solarzellen
• Perowskit-Perowskit-Tandem-Photovoltaik
• Module und Produktionsprozesse in der Perowskit-Dünnschicht-Photovoltaik
• Langzeitstabilität von Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen
• Charakterisierung und Modellierung von Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen

Weltweit werden fortwährend neuartige Perowskit-Halbleiter, sowie anorganische und organische Kontaktmaterialien synthetisiert. Dies macht ein laufendes Screening aktueller, vielversprechender Materialien unabdingbar. Unser Augenmerk liegt dabei nicht nur auf höchsten Wirkungsgraden, sondern auch auf der Langzeitstabilität und der Kompatibilität mit produktionsrelevanten Zellstapeln und Prozessen. Für verschiedene Anwendungen werden jeweils die am besten geeigneten Materialien identifiziert.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Test von Materialien und Komponenten für den Einsatz in Perowskit-Solarzellen
• Benchmarking in Referenzzellstapeln
• Entwicklung von produktionsrelevanten Zellkonzepten

Als Alternative zu Metallelektroden untersuchen wir den Einsatz von graphitischem Kohlenstoff als Rückseitenkontakt in Perowskit-Solarzellen. Die Kohlenstoffelektroden können durch Beschichtungs- oder Druckprozesse in hocheffizienten Solarzellenstapeln verwendet werden und ermöglichen so den Zugang zu vollständig gedruckten Solarzellen. Dadurch wird der Einsatz von Hochtemperatur- oder Vakuumprozessen verringert, was zu einem geringeren CO₂-Fußabdruck der Solarzellen beiträgt. Da Perowskitsolarzellen mit Kohlenstoffelektrode darüber hinaus bessere Stabilitäten im Vergleich zu solchen mit Metallelektrode gezeigt haben, besteht das Potenzial, vollständig gedruckte Perowskitsolarzellen sowohl mit höchsten Effizienzen als auch mit höchsten Betriebsstabilitäten zu ermöglichen.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Entwicklung von skalierbaren Beschichtungs- und Druckprozessen
• Untersuchung der Kompatibilität von Pastenformulierungen mit Perowskit-Solarzellstapeln
• Entwicklung von neuartigen Prozessen zur Laminierung von Elektroden

Durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung lassen sich die Bandlücken und damit die Absorptionseigenschaften von Perowskit-Halbleitermaterialien leicht einstellen. Für photovoltaische Anwendungen untersuchen wir Materialien, die sich in Architekturen für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen kombinieren lassen, um das Wirkungsgradlimit von Einfachsolarzellen zu übertreffen. Gleichzeitig entwickeln wir skalierbare Prozesse für die Herstellung von Demonstratormodulen.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Screening und Benchmarking von Funktionalmaterialien für Kontakt- und Passivierungsschichten
• Zellarchitekturen ohne seltene Materialien für Rekombinationsschichten und Elektroden
• Herstellung von Perowskit-Perowskit-Tandemmodulen

Perowskit-Dünnschicht-PV-Module können wir mit verschiedenen Beschichtungsverfahren, an Luft und unter Inertgas, auf starren ebenso wie auf flexiblen Substraten herstellen. Zentrale Punkte der Entwicklungen sind skalierbare Prozesse unter Verwendung kostengünstiger und unbedenklicher Materialien. Zellstapel, Verschaltungskonzept und Dimensionierung werden je nach Anwendung spezifisch optimiert. So unterscheiden sich zum Beispiel optimale Module für den Gebrauch unter Innenraumbeleuchtung deutlich von solchen, die im Außenbereich eingesetzt werden sollen. Von diesen praktischen Unterschieden sind dann im Konkreten sowohl die Wahl des Perowskit-Absorbers hinsichtlich der Bandlücke, als auch die Elektrodenschichten und das Modullayout abhängig.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Anwendungsspezifische Optimierung des Layouts von Modulen
• Entwicklung kostengünstiger und robuster Modulkonzepte
• Herstellung von Demonstratormodulen

Die Anforderungen an die Langzeitstabilität und wesentliche Einflussfaktoren hängen stark von der Zielanwendung ab. Durch verschiedene Alterungstests unter kontrollierten Bedingungen (z.B. kontinuierliche Beleuchtung mit simuliertem Sonnenlicht oder LEDs, erhöhte Temperatur) sowie im Freien können die jeweils entscheidenden Faktoren identifiziert und die Perowskit-Solarzellen und -module gezielt verbessert werden. Von kleinen Laborzellen bis zu Modulen können wir durch Messung von Kennlinien und Maximum-Power-Point-Tracking die Langzeitstabilität präzise ermitteln. Durch die Erfassung wichtiger Umweltparameter lassen sich Korrelationen herstellen sowie das Verhalten bei verschiedenen Lichtintensitäten, Einfallswinkeln und Temperaturen ermitteln. Durch die Ermittlung solcher Daten und eine eingehende Charakterisierung lassen sich die entscheidenden Faktoren für die Degradation identifizieren und die Bauteilstabilität von Perowskit-PV verbessern.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Beschleunigte Alterung im Labor
• Außenbewitterung auf einem Dachmessstand
• Normtests im akkreditierten Prüflabor

Ein tiefgreifendes Verständnis der Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen ist auf lange Sicht entscheidend für eine effiziente Weiterentwicklung der Technologie. Ein breites Spektrum an Charakterisierungsmethoden ermöglicht es, gezielt limitierende Faktoren zu finden. Die Modellierung erlaubt es, Hypothesen zu Einflussmechanismen quantitativ zu prüfen und so ein zunehmend detaillierteres Verständnis zu erlangen. Auch im Bereich der Langzeitstabilität helfen diese Methoden, sowohl um Schwachstellen in der Verkapselung zu lokalisieren als auch um Degradationsmechanismen zu identifizieren.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Elektrische Simulation von Bauteilen (Sentaurus TCAD)
• Optische Simulation (Transfer- Matrix und RCWA)
• Elektrooptische Charakterisierung, um Funktionsprinzipen und begrenzende Komponenten in den Solarzellen zu identifizieren
• Bildgebende Verfahren (Thermographie, ortsaufgelöster Photostrom, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz) um Defekte zu lokalisieren und Beschichtungen und Produktionsprozesse zu optimieren

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