De halfgeleider perovskiet wordt gezien als een nieuwe hoop om de productieprijs van zonnecellen onder die van het tot nu toe gebruikte silicium te brengen. Empa ontwikkelt nieuwe productieprocessen om perovskiet-zonnecellen niet alleen goedkoper, maar ook sneller te produceren en klaar te maken voor industrieel gebruik.

Sinds de ontwikkeling van de eerste perovskiet-zonnecel in 2009 zijn efficiëntie is nu gelijk aan die van een conventionele siliciumcel. Echter, het had in het begin nog wat zwakke punten; bijvoorbeeld, vanwege de structuur en de gebruikte materialen, het is erg gevoelig voor vocht, zuurstof, warmte, UV-licht en mechanische belasting. Dit maakt de cel minder duurzaam. Michael Grätzel en Hongwei Han hebben in 2014 een oplossing voor dit probleem gevonden, toen de twee EPFL-onderzoekers een cel ontwikkelden met een mesoporeus raamwerk van oxiden en koolstof. Maar dit idee was nog niet verhandelbaar.

In ieder geval tot nu toe:Frank Nüesch, Hoofd van de afdeling functionele polymeren van Empa, en zijn team hebben de afgelopen jaren intensief gewerkt aan nieuwe productieprocessen voor juist deze zonnecellen om ze niet alleen sneller, maar ook goedkoper te produceren. Hiertoe, de onderzoekers werkten samen met Solaronix SA, een bedrijf gevestigd in het westen van Zwitserland, als onderdeel van een project van het Zwitserse Federale Bureau voor Energie (SFOE). Samen produceerden ze op laboratoriumschaal een functionele perovskietcel met een oppervlakte van 10x10cm.

Slot-die in plaats van zeefdruk

Voor de productie van deze nieuwe perovskietcel, het zogenaamde slot-die-proces wordt gebruikt. Hier, de materiaallaag wordt aangebracht op een substraat van glas en vervolgens gestructureerd door overtollig materiaal met een laser te verwijderen. "Met het nieuwe coatingproces we kunnen niet alleen sneller coaten, maar ook flexibeler de dikte van de lagen bepalen, " zegt Nüesch. In de toekomst, het slot-die-proces zal het mogelijk maken om meterslange banen relatief eenvoudig en snel te coaten. De coatingsnelheid is dan ook het centrale element in een mogelijke industrialisatie van de productie van perovskietcellen.

In totaal vijf lagen van verschillende materialen, inclusief titaniumoxide, zirkonia en grafiet, zijn nodig voor zo'n cel. Terwijl in het tot nu toe gebruikte zeefdrukproces, de lagen moeten afzonderlijk worden gedroogd en gesinterd (d.w.z. verdicht) - wat veel tijd en energie kost - in het sleufmatrijsproces kunnen alle lagen direct na elkaar worden aangebracht en aan elkaar worden gesinterd. "Met dit nieuwe proces kunnen we zeven keer sneller 'printen' dan met de vorige zeefdrukmethode, " legt Nüesch uit. De perovskiet-zonnecel krijgt zijn laatste hand door de perovskietabsorber door middel van inkjetprinten aan te brengen in Empa's "Coating Competence Center" - de zogenaamde infiltratie. Hier wordt de perovskiet niet meer als een vaste laag op het substraat aangebracht , maar sijpelt door alle poreuze lagen van de zonnecel tot op de bodem.

Een succesvolle samenwerking

Bij de ontwikkeling van het nieuwe proces het Empa-team werkte nauw samen met experts van Solaronix. Ze zijn de bron van de "inkt" - geleiders op nanoschaal, halfgeleiders en isolatoren - voor het printen van het individu, flinterdunne lagen van de zonnecel. De moeilijkheid voor de Empa-onderzoekers was om deze inkt zo voor te bereiden dat deze geschikt was voor het slot-die-proces. De verschillende instellingen van de coating unit, zoals de snelheid van de slot-die, de stroomsnelheid en de afstand tussen de sleuf-matrijs en het substraat, moest ook op elkaar worden afgestemd om tot een optimaal resultaat te komen. Daar zijn ze nu in geslaagd.

Een ander voordeel van de perovskiet-zonnecellen die met dit nieuwe proces worden geproduceerd, is een langere levensduur in vergelijking met eerdere perovskietcellen. In een volgende stap, veldtesten volgen:eind 2020, de perovskiet-zonnecellen worden gemonteerd op het dak van het NEST-gebouw op de Empa-campus in Dübendorf, waar ze zich in het dagelijks gebruik zullen moeten bewijzen.