Giftige Chemie bei Solarzellen: Der Ersatz kommt aus der Lebensmittelindustrie
Für neuartige Solarzellen braucht man oft ein gesundheitsschädliches Lösungsmittel. Forschende aus Dresden haben per Computer nach Ersatz gesucht und fünf Kandidaten gefunden, darunter Aromastoffe aus der Lebensmittelindustrie. Im Labor funktionierten die Zellen damit ähnlich gut.
Mit dem Ansatz der Forschenden sind weniger Experimente bei der Materialsuche für Perowskit-Solarzellen erforderlich.
Foto: Smarterpix/alphaspirit
Perowskit-Solarzellen erreichen hohe Wirkungsgrade, ihre Herstellung ist jedoch nicht in jeder Hinsicht umweltfreundlich. Für die Abscheidung der lichtaktiven Schichten werden häufig Lösungsmittel eingesetzt, die Gesundheits- und Umweltrisiken bergen. Forschende des Exzellenzclusters REC² der TU Dresden, des IFW Dresden und der Universidad Nacional del Sur in Argentinien haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich weniger bedenkliche Alternativen bereits vor Laborversuchen gezielt auswählen lassen.
Statt mögliche Lösungsmittel ausschließlich nach dem Prinzip „Trial and Error“ zu testen, kombinieren die Forschenden zwei etablierte Modellierungsansätze. Hansen-Löslichkeitsparameter dienen dazu, die Eignung von Lösungsmitteln für bestimmte Stoffsysteme abzuschätzen. Ergänzend berechnen die Forschenden mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Ausgangsmaterialien der Perowskitschicht.
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Fünf neue Lösungsmittel im Labortest
Mit diesem Ansatz identifizierte das Team fünf bislang nicht für diesen Zweck untersuchte „grüne“ Lösungsmittel. Anschließend stellten die Forschenden damit bleiiodidbasierte Perowskit-Solarzellen in invertierter Architektur her. Die Zellen kamen ohne zusätzliche Passivierung aus. Als Referenz diente N,N-Dimethylformamid (DMF). Das Lösungsmittel wird bei der Herstellung von Perowskitschichten häufig eingesetzt, gilt den Forschenden zufolge aber vor allem im Hinblick auf eine industrielle Fertigung als problematisch für die Umwelt und den Arbeitsschutz.
Die mit den fünf alternativen Lösungsmitteln gefertigten Zellen erreichten eine vergleichbare Leistungsfähigkeit wie die mit DMF hergestellten Referenzzellen. Bei einem der untersuchten Stoffe, in der Studie als IAAc bezeichnet, ergab sich sogar eine moderate statistische Verbesserung. Einen grundsätzlichen Effizienzsprung durch die neuen Lösungsmittel belegt die Arbeit damit allerdings nicht.
Weniger Experimente bei der Materialsuche für Perowskit-Solarzellen
Statt höhere Zellwirkungsgrade zu erzielen, ermöglicht der Ansatz vor allem eine gezieltere Auswahl geeigneter Materialien. Potenziell ungeeignete Lösungsmittel können bereits rechnerisch aussortiert werden. Dadurch könnte sich die Zahl notwendiger Laborversuche verringern und der Suchraum auf Substanzen erweitert werden, die bislang kaum für Perowskit-Solarzellen untersucht wurden.
„Wir haben festgestellt, dass es keinerlei Ansätze gibt, um das Problem giftiger Lösungsmittel in lösungsmittelbasierten Solarzellen systematisch anzugehen“, sagt Yana Vaynzof, Direktorin des Institute for Emerging Electronic Technologies am IFW Dresden und Professorin an der TU Dresden. Das habe das Team dazu veranlasst, die Suche nach geeigneten Lösungsmitteln neu aufzusetzen. Einige der identifizierten Stoffe werden auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, beispielsweise als Aroma- oder Zusatzstoffe. Dass ein Stoff dort verwendet wird, bedeutet allerdings nicht automatisch, dass er in jedem industriellen Prozess unbedenklich ist. Entscheidend sind unter anderem Konzentration, Exposition und Prozessbedingungen.
Industrielle Eignung muss sich noch zeigen
Die Studie zeigt, dass der modellgestützte Auswahlprozess geeignete Kandidaten für die Laborfertigung liefern kann. Ob sich die identifizierten Lösungsmittel auch für großflächige Beschichtungsverfahren und industrielle Produktionsprozesse eignen, ist allerdings noch nicht geklärt. Dafür müssen unter anderem Skalierbarkeit, Prozessstabilität, Langzeitverhalten und Arbeitsschutzbedingungen untersucht werden.
Als nächsten Schritt wollen die Forschenden prüfen, ob geeignete Lösungsmittel auch die Recyclingfähigkeit von Perowskit-Solarzellen verbessern können. Nach Einschätzung des Teams lässt sich der Ansatz zudem auf andere lösungsmittelbasierte Elektroniktechnologien übertragen.
Mit allen fünf Lösungsmitteln über 20 % Wirkungsgrad
Aus ursprünglich mehr als 1200 möglichen Lösungsmitteln grenzten die Forschenden zunächst 21 Kandidaten ein und untersuchten 16 davon zusätzlich mit Dichtefunktionaltheorie. Für die Zellfertigung wählten sie schließlich fünf bislang dafür nicht eingesetzte Stoffe aus: Isopropylmethylcarbonat (IPMC), Methylisobutylcarbinol (MIBC), Isoamylacetat (IAAc), Isopropylacetat (IPAc) und ε-CPL. Mit allen fünf Stoffen ließen sich in der Studie Perowskit-Solarzellen mit Wirkungsgraden von mehr als 20 % herstellen. Besonders gut schnitten IAAc und IPAc ab: Die besten Zellen erreichten 23,2 % beziehungsweise 22,6 %. Die mit dem herkömmlichen Lösungsmittel DMF gefertigten Referenzzellen lagen im Mittel bei rund 21 %. IAAc zeigte dabei im statistischen Vergleich sogar eine leichte Verbesserung gegenüber der Referenz. Auch bei der Photolumineszenz fielen die beiden Stoffe auf. Die Lebensdauer der Ladungsträger betrug bei IPAc 336 ns und bei IAAc 369 ns, verglichen mit 270 nsbei DMF. Die Forschenden das werten als einen Hinweis auf geringere nicht-radiative Rekombinationsverluste.
