ARC Eine einfache und vielseitige Nanopartikeltinte könnte dazu beitragen, dass Perowskit*-Solarzellen der nächsten Generation in großem Maßstab gedruckt werden können und zur dominierenden Kraft in der kommerziellen Photovoltaik werden.
Die aus Zinnoxid hergestellte Tinte wird in einem einzigen Schritt bei relativ niedriger Temperatur mit Hilfe der Mikrowellentechnologie hergestellt, ohne dass eine weitere Reinigung erforderlich ist. Sie wird dann in Solarzellen verwendet, um den selektiven Transport von Elektronen zu unterstützen – ein entscheidender Schritt bei der Stromerzeugung. Mit dieser Methode hergestellte Prototypen haben einen Wirkungsgrad von 18% erreicht, der zu den besten Wirkungsgraden für planar strukturierte Perowskit-Solarzellen gehört, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden.
Die Tinte eignet sich für die Herstellung verschiedener Arten von Perowskit-Solarzellen, auch für Glas und für den Druck auf Kunststoff, der kostengünstig und in großen Mengen erfolgen kann. Diese Technik, die so genannte Rolle-zu-Rolle-Beschichtung, ähnelt der Art und Weise, wie Zeitungen gedruckt werden. Innerhalb des Tintenprodukts kann die durchschnittliche Größe der einzelnen Partikel so gesteuert werden, dass sie zwischen fünf und 10 Nanometern liegt. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist 100.000 Nanometer dick, und Fingernägel wachsen jede Sekunde um einen Nanometer.
Perowskit-Solarzellen erreichen bereits jetzt die Effizienz ihrer etablierten Silizium-Pendants, sind außerdem flexibler und benötigen weniger Energie bei der Herstellung. Probleme mit der langfristigen Haltbarkeit und einige Hürden im Herstellungsprozess haben bisher verhindert, dass diese spannenden Materialien das Silizium überholen.
Nun haben Forscher des ARC Centre of Excellence in Exciton Science in Zusammenarbeit mit der australischen Wissenschaftsbehörde CSIRO mit ihrer Tinte aus Zinnoxid-Nanopartikeln möglicherweise eine Antwort auf einige dieser Probleme gefunden. Die Ergebnisse der Arbeit, die von der Australian Renewable Energy Agency (ARENA) finanziert wurde, wurden in der Zeitschrift »Chemistry of Materials« veröffentlicht.
Dr. Doojin Vak, leitender Wissenschaftler bei CSIRO, sagte: »Perowskit-Solarzellen können durch industrielles Drucken hergestellt werden. Das Verfahren ist zwar von Natur aus kostengünstig, aber die Kosten für jedes einzelne Bauteil sind dennoch entscheidend. Diese Arbeit zeigt einen großartigen Weg auf, um in Zukunft zu einer extrem kostengünstigen Herstellung von Perowskit-Solarzellen beizutragen.«
Es ist wichtig, dass die Nanopartikeltinte mit Mikrowellen hergestellt werden kann, da direkte Hochtemperaturverarbeitungsmethoden für flexible Solarzellensubstrate zu Degradation führen, was das kommerzielle Potenzial druckbarer Perowskit-Solarzellen einschränkt. Professor Jacek Jasieniak von der Monash University, der Hauptautor der Arbeit, sagte: »Der Einsatz von Mikrowellen zur Synthese geeigneter Nanopartikeltinten ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu hocheffizienten Perowskit-Solarzellen, die reproduzierbar gedruckt werden können und gleichzeitig die Herstellungskosten minimieren.«
Andere synthetische Ansätze für Zinnoxid erfordern hohen Druck, hohe Siedepunkte und möglicherweise auch mehrere Verarbeitungsschritte, was sie für eine kostengünstige Herstellung im industriellen und kommerziellen Maßstab ausschließt. Die Verwendung von Metalloxiden anstelle von organischen Bestandteilen, die durch Luft und Feuchtigkeit negativ beeinflusst werden, verlängert auch die Lebensdauer der fertigen Perowskit-Solarzellen.
Zinnoxid ist nicht nur beständiger als vergleichbare organische Bestandteile, es hat auch eine breite Bandlücke und fördert einen effizienten Elektronentransport – Eigenschaften, die es für verschiedene Arten von Solarzellen und andere optoelektronische Anwendungen geeignet machen. (Quelle und Bild: ARC Centre of Excellence in Exciton Science)
- Perowskit ist ein relativ häufiges Mineral aus der Mineralklasse der »Oxide und Hydroxide« mit der chemischen Zusammensetzung CaTiO3. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Calcium-Titan-Oxid beziehungsweise Calciumtitanat, also eine Verbindung aus der Gruppe der Titanate. (Quelle: Wikipedia)
