Herstellung von Perowskit-Solarzellen nach dem in-situ Verfahren mit optimiertem Kristallwachstum durch Flüssig- und Gasphasenabscheidung sowie detaillierte in-situ Charakterisierung der Transport- und Rekombinationsmechanismen

Stipendiatin/Stipendiat: Lukas Wagner

Wie nachhaltig kann die Energiewende noch werden?

Deutschland ist auf Platz 6 der weltweiten CO2-Emittenten. Die Dekarbonisierung des Energiesektors ist Elementar für die Umsetzung der Pariser Klimaziele. Photovoltaik ist hierbei eine Schlüsseltechnologie - in diesem Jahr wird die jährliche globale PV-Produktion die 100 GWp- Marke überschreiten.

Der CO2-Fußabdruck (g CO2/kWh) von Photovoltaik-Strom ist um das 20-fache niedriger als Kohle-Strom. Dennoch werden auch für die Herstellung jeder Solarzelle Energie und Rohstoffe benötigt. Fast alle Solarzellen werden heute in Ost-Asien hergestellt (nur 2 % in der EU). Bei der Herstellung eines Solarmoduls in China entstehen für 1 m² Modulfläche immerhin noch 425 kg CO2. In meinem Promotionsvorhaben entwickle ich ein wirtschaftlich konkurrenzfähiges PV-Konzept mit niedrigstem CO2-Fußabdruck.

Integrierte Modulaherstellung

In diesem Herstellungskonzept wird der klassische PV-Entwicklungsansatz – von der Zelle zum Modul – so umgekehrt, dass zunächst das „leere“ Solarmodul gefertigt wird. In einem letzten Schritt wird der Absorber eingefüllt und in-situ aktiviert. Hierzu wird eine neue Klasse kostengünstiger Absorber genutzt: Perowskite erreichen im Labor mittlerweile Wirkungsgrade von Siliziumsolarzellen.

Schmelzen des Absorbers bei Raumtemperatur

Während der Promotion wird ein grundlegendes Verständnis der Ladungstransportmechansimen und der Perowskitkristallisation aus Präkursormaterialien in Lösung und in Gasphase erarbeitet. Entscheidend für die Funktion dieser Solarzellen ist die kontrollierte Kristallisation. Dafür entwickelte ich ein Verfahren um den Absorber bei Raumtemperatur aufzuschmelzen, einzubringen und kontrolliert zu kristallisieren. So konnte ich die weltweit effizienteste gedruckte Perowskitsolarzelle herstellen.

Wenige Mikrometer gedruckter Solarzelle zwischen zwei Glasplatten

Die so erzeugte 2 μm dicke Schicht ist damit zwischen zwei Glasplatten fest versiegelt. Durch den integrierten Herstellungsansatz reduzieren sich die Material- und Energiekosten auf die des Glases. Wie bei Fensterglas ist transportbedingt eine lokale Fertigung (Umkreis  < 500 km) zu erwarten. Im Vergleich fallen mit dieser Technologie unter 20 kg CO2/m² an.

Förderzeitraum:
01.12.2016 - 30.11.2019

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH)

Betreuer:
Prof. Dr. Stefan Glunz

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Publikationen: