Skalierbare Fertigung von Perowskit-Photovoltaik
Die Nutzung von Solarenergie spielt eine zentrale Rolle bei der Energiewende. Tandem-Solarzellen, die aus Perowskit und Silizium bestehen, erreichen höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Siliziumzellen. Die industrielle Produktion dieser Zellen stellt jedoch weiterhin eine technische Herausforderung dar. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Valencia haben ein schnelles, lösungsmittelfreies Vakuumverfahren weiterentwickelt, mit dem Perowskit-Schichten auch auf strukturierten Siliziumoberflächen gleichmäßig und in hoher Geschwindigkeit aufgebracht werden können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41560-026-02068-9).
Funktionsweise und Vorteile von Perowskit-Silizium-Tandemzellen
Perowskit-Silizium-Tandemzellen kombinieren zwei Halbleitermaterialien, die unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts absorbieren. Die obere Perowskit-Schicht nutzt vor allem energiereiches, kurzwelliges Licht, während die darunterliegende Siliziumschicht längere Wellenlängen verarbeitet. Diese Kombination ermöglicht eine höhere Umwandlungseffizienz als bei reinen Siliziumzellen. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, die dünne Perowskit-Schicht großflächig, homogen und zügig zu applizieren.
Professor Ulrich Paetzold vom KIT betont: „Für die industrielle Fertigung sind neben dem Wirkungsgrad auch die Prozessgeschwindigkeit, Robustheit und Skalierbarkeit entscheidend. Unser schneller Vakuumprozess erzeugt gleichmäßige Schichten und führt zu effizienten Perowskit-Silizium-Solarzellen.“
Close-Space-Sublimation (CSS) als Beschichtungsverfahren
Das entwickelte Verfahren basiert auf der Close-Space-Sublimation (CSS). Dabei werden die Ausgangsmaterialien verdampft und lagern sich direkt auf der nur wenige Millimeter entfernten Siliziumoberfläche ab, wo sie zu einer Perowskit-Schicht reagieren. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der geringe Materialverbrauch und die Möglichkeit, die Quellen mehrfach zu verwenden.
Sofia Chozas-Barrientos von der Universität Valencia erläutert: „Mit CSS konnten wir organische Ausgangsmaterialien ohne Lösungsmittel in kurzer Zeit auf Silizium aufbringen. Die Umwandlung war bereits nach zehn Minuten abgeschlossen – ein bedeutender Fortschritt für Vakuumverfahren.“
Bandlückenanpassung durch Materialzusammensetzung
Die Bandlücke der Perowskit-Schicht bestimmt, welche Lichtanteile absorbiert werden. Für die obere Teilzelle ist eine größere Bandlücke erforderlich, um die Lichtabsorption optimal auf die darunterliegende Siliziumzelle abzustimmen. Brom kann die Bandlücke erhöhen, weshalb zunächst eine bromhaltige anorganische Vorläuferschicht getestet wurde. Dabei blieb der gewünschte Bromanteil jedoch nicht stabil erhalten.
Dr. Alexander Diercks vom KIT erklärt: „Eine gemischte organische Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid ermöglichte die Kontrolle des Bromanteils im fertigen Material. So konnten wir eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt einstellen.“
Erprobung auf verschiedenen Siliziumoberflächen
Für die industrielle Anwendung muss der CSS-Prozess auf unterschiedlichen Siliziumoberflächen funktionieren, einschließlich strukturierter Oberflächen, die die Lichtabsorption durch Verlängerung des Lichtwegs verbessern. Die Forschenden testeten den Prozess auf glatten sowie nano- und mikrostrukturierten Siliziumunterlagen. Auf allen Oberflächen entstanden vergleichbare, gleichmäßige Perowskit-Schichten ohne Anpassung der Prozessparameter.
Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Röntgentechniken bestätigten die homogene Bedeckung. Die hergestellten Tandemzellen erreichten Wirkungsgrade von 23,5 % (glatt), 23,7 % (nanostrukturiert) und 24,3 % (mikrostrukturiert).
Professor Henk Bolink hebt hervor: „Die Fähigkeit, auch auf strukturierten Oberflächen gleichmäßige Schichten zu erzeugen, ist für die industrielle Skalierung essenziell. Verfahren, die nur auf perfekt glatten Flächen funktionieren, sind in der Praxis weniger anwendbar.“
Kooperation und Ausblick
Die Studie entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen des KIT und der Universität Valencia. Weitere Partner waren das CONICET-UNL in Argentinien sowie die Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN in Frankreich.
Kontakt
- Dr. Martin Heidelberger, Stellvertretender Pressesprecher, Pressereferent
- Telefon: +49 721 608-41169
- E-Mail: martin.heidelberger@kit.edu
Hintergrund zum KIT
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt Lösungen für gesellschaftliche Herausforderungen wie Klimawandel, Energiewende und nachhaltigen Ressourceneinsatz. Als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft verbindet das KIT wissenschaftliche Exzellenz mit Anwendungsorientierung und bietet über 10.000 Mitarbeitenden sowie 22.800 Studierenden Möglichkeiten, eine nachhaltige Zukunft zu gestalten.
Originalpublikation
Alexander Diercks, Sofía Chozas-Barrientos et al.: Close Space Sublimation as a Versatile Deposition Process for Efficient Perovskite Silicon Tandem Solar Cells. Nature Energy, 2026. DOI: 10.1038/s41560-026-02068-9
