Tintenstrahlgedruckte und farbige Perowskit-Photovoltaik für die Gebäude-Integration
Creators: name: Eggers, Helge
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Perowskit
Solarzelle
Tintenstrahldruck
Farbe

description: Versorgungsicherheit, Energiegerechtigkeit und ökologische Nachhaltigkeit sind Aspekte der globalen Energieversorgung, die einen immer größeren Stellenwert in unserer Gesellschaft einnehmen. Die Photovoltaik, also die Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenenergie, ist eine Technologie, bei der theoretisch all diese Aspekte berücksichtigt werden können. Die Integration von Photovoltaik in Gebäude erscheint besonders attraktiv, da keine zusätzlichen Flächen für die Installation von Solaranlagen erschlossen werden müssen. Um die Photovoltaik und insbesondere die gebäude-integrierte Photovoltaik gegenüber anderen Methoden der Stromerzeugung noch attraktiver zu machen, müssen jedoch die Kosten der Technologie weiter gesenkt werden. Mit Photovoltaik auf Basis von Perowskit-Materialien, die seit wenigen Jahren im Fokus der Wissenschaft stehen, könnte genau das erreicht werden. Dafür ist jedoch unumgänglich, dass die hohen Wirkungsgrade von über 25%, die für diese Technologie mit Labormethoden auf Flächen von wenigen Quadratmillimetern erreicht werden kann, möglichst verlustfrei und mit industrie-kompatiblen Methoden auf große Flächen übertragen werden können. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Erforschung und Entwicklung von innovativen Herstellungsverfahren von Perowskit-Solarzellen und –modulen mittels der skalierbaren Tintenstrahl¬druck¬technologie. Dabei konnte ein Prozess zur Fertigung von Perowskit-Solarzellen mit tintenstrahlgedrucktem Absorber und hohen Wirkungsgraden entwickelt werden. Die erreichten Wirkungsgrade von bis zu 21,6% (Einzelmessung) beziehungsweise 18,5% (kurzeitig stabilisierter Wirkungsgrad) sind die weltweit höchsten für teilweise tintenstrahl¬gedruckte Perowskit-Solarzellen. In dieser Arbeit werden nicht nur die Optimierungen, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, dokumentiert, sondern durch intensive Charakterisierung der Solarzellen und zugehörigen Schichten auch der Ursprung dieser hohen Wirkungsgrade untersucht. Ausgehend von diesem Prozess konnte in einem weiteren Schritt ein Prozess zur Fertigung von effizienten Solarzellen, bei denen alle Schichten mit Ausnahme von Substrat und Elektroden tintenstrahlgedruckt sind, demonstriert werden. Mit diesem lassen sich Rekord¬wirkungs¬grade bis zu 17,2% erreichen. Um die Skalierbarkeit des Prozesses zu demonstrieren, wurden erfolgreich kleine Perowskit-Solarmodule mit einer aktiven Fläche von 4 cm² und einem Wirkungsgrad von bis zu 13,7% gefertigt. Die relative Reduktion im Wirkungsgrad kann dabei auf 13% pro Verzehnfachung der Fläche begrenzt werden. Zuletzt wird in dieser Arbeit auch die Möglichkeit der freien Farbgebung untersucht, die für den möglichen Einsatz als gebäude-integrierte Photovoltaik ein entscheidendes Kriterium sein kann. Hierzu wird ein auf Tintenstrahldruck von Pigmenttinten basierendes Verfahren zur Farbgebung verwendet. Mit diesem Prozess lassen sich leuchtend helle und in ihrem Farbeindruck winkelunabhängige farbige und dennoch effiziente Solarzellen herstellen. Als Demonstra¬tion für die Anwendung in der gebäude-integrierten Photovoltaik werden Solarmodule in Optik von weißem Marmor mit Wirkungsgraden bis zu 14,1% (77% relativ zur ungefärbten Referenz) präsentiert. Insgesamt demonstriert diese Arbeit, dass sich der Tintenstrahldruck zur Herstellung effizienter Perowskit-Solarzellen und –module eignet, die durch die Möglich¬keit zur freien Form- und Farbwahl insbesondere für die Gebäude-Integration geeignet wären.