Laserbasierte Verschaltung und Strukturierung von Perowskit-Solarmodulen

Die moderne Energiepolitik steht vor der komplexen Herausforderung, trotz des stetig steigenden weltweiten Energiebedarfs und der aktuellen Zuspitzung geopolitischer Spannungen eine sichere, gerechte, günstige und ökologisch nachhaltige Energieversorgung zu sichern. Als Schlüsseltechnologie gilt hierfür die Photovoltaik, also die Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht, mit der alle genannten Anforderungen theoretisch erfüllt werden können. Während die Photovoltaik für Großanlagen auf Freiflächen in Deutschland bereits heute deutlich günstigere Stromgestehungskosten als konventionelle Kraftwerke aufweist, ist die Verfügbarkeit von Freiflächen in Deutschland stark begrenzt und steht in direkter Konkurrenz mit Interessen der Landwirtschaft. ... mehrDie Installation von Photovoltaik als Kleinanlagen auf bereits vorhandenen Flächen wie Dächern, Hauswänden oder als gebäudeintegriertes Fassadenelement bietet dagegen großes Ausbaupotential. Da die Stromgestehungskosten solcher Anlagen höher ausfallen, ist es zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit unerlässlich, die Kosten der Photovoltaik weiter zu senken. Genau das könnte mit der auf Perowskit-Halbleitern basierenden Photovoltaik ermöglicht werden, die seit einigen Jahren intensiv erforscht wird. Für einen Markteintritt der Perowskit-Photovoltaik ist es jedoch unverzichtbar, die für Flächen weniger Quadratmillimeter Größe in Laboren erreichten hohen Wirkungsgrade effizient und mit industriell anwendbaren Herstellungsverfahren und Komponenten auf große Flächen zu skalieren.
Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung und Demonstration der effizienten und industriell anwendbaren Aufskalierung von Perowskit-Photovoltaik durch die laserbasierte Verschaltung von Solarzellen zu Solarmodulen behandelt. Darauf aufbauend wird die Herstellung teiltransparenter Perowskit-Photovoltaik als innovatives mehrfunktionales Fassadenelement untersucht.
Für die Entwicklung eines effizienten Aufskalierungsprozesses wird ein vollständig skalierbarer Schichtstapel sowie ein neu konzipiertes Laserstrukturierungssystem genutzt, das ausschließlich in der Industrie bereits etablierte Komponenten integriert. Durch umfangreiche Laserparameterstudien werden Verschaltungslinien mit hohen Parallel- und niedrigen Kontaktwiderständen sowie minimaler Breite von nur 140 µm hergestellt. Weiterhin ermöglicht die theoretische Optimierung des Solarmodullayouts sowie die hohe Qualität der Verschaltungslinien und der Materialschichten auch für größere Flächen die Bauteilaufskalierung um einen Faktor von bis zu 500 und die Herstellung effizienter Perowskit-Solarmodule mit Wirkungsgraden bis zu 18,0% für 4 cm² und 16,6% für 51 cm² Aperturfläche, was zum damaligen Zeitpunkt den Weltrekord für vollständig gedampfte Solarmodule darstellte. Diese beeindruckenden Ergebnisse entsprechen lediglich einem Wirkungsgradverlust pro Größenordnung der aufskalierten Fläche von 3,1 %rel dec- 1, wobei der Vergleich mit 3,9 %rel dec-1 für die etablierte Silizium-Photovoltaik die Effizienz des entwickelten Aufskalierungsprozesses beweist.
Basierend auf diesen Erkenntnissen und durch Transfer und Anpassung des entwickelten Aufskalierungsprozesses werden zudem erfolgreich semitransparente Perowskit-PV-Module und weltweit erstmals 2-Terminal-Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule entwickelt. Dabei erzielen die semitransparenten Solarmodule Wirkungsgrade von bis zu 15,3% für 4 cm² und 14,5% für 11 cm² Aperturfläche, wobei das mechanische Stapeln mit einem CIGS-Modul einen Tandemwirkungsgrad von 23,1% ergibt. Die 2-Terminal-Tandem-Solarmodule erreichen beeindruckende Rekordwirkungsgrade von 22,5% und 19,3% für 2,6 cm² und 12,5 cm² Aperturfläche. Diese erfolgreichen Ergebnisse zeigen auf, dass auch komplexere Perowskit-Photovoltaik-Bauteile mit dem entwickelten Prozess aufskaliert werden können.
Des Weiteren wird die Entwicklung transluzenter Perowskit-Photovoltaik für gebäudeintegrierte Anwendungen erfolgreich demonstriert. Durch Laserstrukturierung werden defektfreie, hochtransparente Flächen erzeugt, die Licht farbneutral und streuungsarm transmittieren und bereits aus einer Entfernung von 0,5 m einen homogenen optischen Eindruck erzeugen. Diese transluzenten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 16,2% bei Lichttransmissionsgraden bis zu 38%. Zudem kann der Prozess erfolgreich auf komplexere Tandem-Photovoltaik sowie auf größere Flächen übertragen werden, wobei Wirkungsgrade von bis zu 17,7% und 11,1% bei Lichttransmissionsgraden von 11% und 31% und für Flächen bis zu 12 cm² erreicht werden. Zuletzt wird ein neues und innovatives Konzept der Transmissionsgradienten entwickelt und umgesetzt, um die ästhetischen und individuellen Gestaltungsmöglichkeiten für gebäudeintegrierte Photovoltaik zu verbessern. Diese einzigartige Kombination aus Effizienz, Ästhetik und architektonischer Anpassungsfähigkeit macht transluzente Perowskit-Photovoltaik besonders geeignet für den Einsatz in Glasfassaden.
Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass Perowskit-Photovoltaik durch laserbasierte und industriell anwendbare Strukturierungs- und Beschichtungsverfahren effizient zu großen Flächen skaliert werden kann, und zeigt zudem die Eignung als ästhetische gebäudeintegrierte und mehrfunktionale Photovoltaik-Technologie auf.

Modern energy policy faces the complex challenge of ensuring a secure, fair, affordable and ecologically sustainable energy supply despite the ever-increasing global demand for energy and the current escalation of geopolitical tensions. Photovoltaics, the generation of electrical energy from sunlight, is regarded as a key technology for this, as it can theoretically meet all of the aforementioned requirements. While photovoltaics for large-scale installations on open fields in Germany already offer significantly lower levelized costs of electricity compared to conventional power plants, the availability of open fields in Germany is severely limited and directly competes with agricultural interests. ... mehrIn contrast, the installation of photovoltaics as small systems on already existing surfaces, such as roofs, house walls, or as building-integrated facade elements, offers significant expansion potential. Since the levelized costs of electricity for such systems are higher, it is essential to further reduce the costs of photovoltaics to enhance their economic viability. This is precisely what could be achieved with photovoltaics based on perovskite semiconductors, which have been the subject of intensive research for several years. For perovskite photovoltaics to enter the market, however, it is essential to scale up the high efficiencies achieved in laboratories for areas of a few square millimetres in size to large areas efficiently and with industrially applicable manufacturing processes and components.
For this reason, this work addresses the development and demonstration of the efficient and industrially applicable upscaling of perovskite photovoltaics through the laser-based interconnection of solar cells to form solar modules. Building on this, the production of semi-transparent perovskite photovoltaics as innovative multifunctional façade elements is investigated.
To develop an efficient upscaling process, a fully scalable layer stack and a newly designed laser structuring system, which integrates exclusively components already established in the industry, are used. Through extensive laser parameter studies, interconnection lines with high parallel and low contact resistances, as well as a minimal width of only 140 µm, are produced. Furthermore, the theoretical optimization of the solar module layout, along with the high quality of the interconnection lines and material layers even for larger areas, enables the upscaling of devices by a factor of up to 500 and the production of efficient perovskite solar modules with efficiencies of up to 18.0% for 4 cm² and 16.6% for 51 cm² aperture area. The latter represented the world record for fully evaporated solar modules at the time. These impressive results correspond to an efficiency loss per order of magnitude of the upscaled area of 3.1 %rel dec-1, with the comparison to 3.9 %rel dec-1 for established silicon photovoltaics proving the efficiency of the developed upscaling process.
Based on these findings and through the transfer and adaptation of the developed upscaling process, semitransparent perovskite PV modules and, for the first time worldwide, 2-terminal perovskite-perovskite tandem modules are successfully developed. The semitransparent solar modules achieve efficiencies of up to 15.3% for 4 cm² and 14.5% for 11 cm² aperture area, with mechanical stacking with a CIGS module yielding a tandem efficiency of 23.1%. The 2-terminal tandem modules achieve impressive record efficiencies of 22.5% and 19.3% for 2.6 cm² and 12.5 cm² aperture area, respectively. These successful results demonstrate that even more complex perovskite photovoltaic devices can be upscaled using the developed process.
Furthermore, the development of translucent perovskite photovoltaics for building-integrated applications is successfully demonstrated. Through laser structuring, defect-free, highly transparent areas are produced that transmit light in a color-neutral and low-scatter manner and create a homogeneous optical impression from a distance of 0.5 m. These translucent solar cells achieve efficiencies of up to 16.2% with average transmission rates of up to 38%. Additionally, the process can be successfully transferred to more complex tandem photovoltaics and larger areas, achieving efficiencies of up to 17.7% and 11.1% with average visible transmittances of 11% and 31% and for areas of up to 12 cm². Finally, a new and innovative concept of transmission gradients is developed and implemented to enhance the aesthetic and individual design possibilities for building-integrated photovoltaics. This unique combination of efficiency, aesthetics, and architectural adaptability makes translucent perovskite photovoltaics particularly suitable for use in glass facades.
This dissertation demonstrates that perovskite photovoltaics can be efficiently upscaled to large areas through laser-based and industrially applicable structuring and coating processes, and also highlights their suitability as aesthetic building-integrated and multifunctional photovoltaic technology.