Tintenstrahlgedruckte und farbige Perowskit-Photovoltaik für die Gebäude-Integration

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. ... mehrMit 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.

Security of supply, energy justice and ecological sustainability are aspects of global energy supply that are becoming increasingly important in our society. Photovoltaics, which is the generation of electrical power from solar energy, is a technology that can theoretically take all these aspects into account. The integration of photovoltaics into buildings appears to be particularly attractive, since no additional land needs to be developed for the installation of solar systems. However, to make photovoltaics, and in particular building-integrated photovoltaics, even more attractive compared to other methods of electricity generation, the cost of the technology must be further reduced. ... mehrPhotovoltaics based on perovskite materials, which have been the focus of scientific attention for a few years now, could achieve just that. For this to happen, however, it is essential that the high power conversion efficiencies of over 25% that can be achieved for this technology using laboratory methods on areas of just a few square millimeters can be transferred to large areas with as little loss as possible and using industry-compatible methods. This work is therefore concerned with the research and development of innovative manufacturing processes for perovskite solar cells and modules using scalable inkjet printing technology. In this work, a process for manufacturing perovskite solar cells with inkjet-printed absorber and high power conversion efficiencies could be developed. The achieved power conversion efficiencies of up to 21.6% (single measurement) and 18.5% (short-term stabilized efficiency), respectively, are the highest in the world for partially inkjet-printed perovskite solar cells. This work not only documents the optimizations that led to these results, but also investigates the origin of these high efficiencies through intensive characterization of the solar cells and associated layers. Based on this process, it was possible to demonstrate in a further step a process for manufacturing efficient solar cells in which all layers except the substrate and electrodes are ink-jet printed. With this process, record power conversion efficiencies of up to 17.2% can be achieved. To demonstrate the scalability of the process, small perovskite solar modules with an active area of 4 cm² and a power conversion efficiency of up to 13.7% have been successfully fabricated. The relative reduction in power conversion efficiency can be limited to 13% per tenfold increase in area. Finally, this work also investigates the possibility of free coloring, which can be a decisive criterion for possible use as building-integrated photovoltaics. For this purpose, a process based on inkjet printing of pigment inks is used for coloring. This process can be used to produce brightly colored solar cells that are angle-independent in their color impression, yet still efficient. As a demonstration for application in building-integrated photovoltaics, solar modules with the appearance of white marble are presented with power conversion efficiencies up to 14.1% (77% relative to the uncolored reference). Overall, this work demonstrates that inkjet printing is suitable for the fabrication of efficient perovskite solar cells and modules, which would be particularly suitable for building integration due to the ability to freely select shapes and colors.