Tintendruck-Verfahren für Kesterit-Solarzellen

Querschnitt mit dem Rasterelektronenmikroskop: auf einem Mo-Substrat befindet sich die aufgedruckte Kesterit-Schicht (CZTSSe) / Bildquelle: HZB

Ein Team aus dem HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, um mit einer speziellen Tinte Kesterit-Absorberschichten (CTZSSe) Tropfen für Tropfen auszudrucken. Solarzellen mit so produzierten Absorberschichten erreichten Wirkungsgrade von 6,4 %. Auch wenn dies noch deutlich unter den Rekordwerten für Kesterit-Solarzellen liegt, ist das Tintendruck-Verfahren interessant für die industrielle Produktion, da es extrem ökonomisch ist und kaum Abfälle erzeugt.

Die Zeichnung skizziert das Tintendruck-Verfahren für eine Kesterit-Schicht / Bildquelle: HZB

Ein Tintendrucker platziert Material genau dort, wo es benötigt wird. Daher verspricht dieses Verfahren eine deutliche Minimierung der Materialkosten. Zudem lässt sich das Verfahren auch für Rolle-zu-Rolle-Beschichtungen bei der industriellen Massenfertigung nutzen.

Dr. Xianzhong Lin vom Institut für Heterogene Materialsysteme des HZB hat nun mit einer Kesterit-Tinte gearbeitet, die ursprünglich entwickelt wurde, um auf ein rotierendes Substrat aufgeschleudert und verteilt zu werden. Dieses so genannte Spin coating ist ein etabliertes Verfahren, bei dem allerdings ein erheblicher Teil der wertvollen Ausgangsmaterialien verschwendet wird. Lin optimierte die Kesterit-Tinte nun für ein am HZB entwickeltes Tintendruck-Verfahren. Dabei gelang es ihm, die Viskosität der Tinte gezielt zu beeinflussen, bis sie perfekt zum Produktionsverfahren passte, bei dem der Tintendruckkopf schrittweise über das Substrat geführt wird. Der so entstandene homogene Cu-Zn-Sn-S Vorläuferfilm wurde anschließend zu einer homogenen Kesterit-Schicht verbacken. Schon eine erste Optimierung führte zu Solarzellen mit Wirkungsgraden um 6,4 %.

Nach Dr. Lin besteht der große Vorteil des Tintendruckverfahrens darin, dass vergleichsweise wenig Material verloren geht: So sind weniger als 20 Mikroliter Tinte nötig, um eine Fläche von rund 6,5 Quadratzentimetern (Quadratinch) mit einer Kesterit-Schicht von einem Mikrometer zu beschichten. Auch wenn der Wirkungsgrad jetzt noch weit von den 12,7 % entfernt ist, die Kesterit-Zellen erreichen können, sehen wir in diesem Verfahren enorme Chancen für die industrielle Massenproduktion.

Das Team arbeitet nun daran, das Verfahren zu optimieren und den Wirkungsgrad zu steigern. Ihr Ziel ist es, komplette Solarzellen auszudrucken, ohne auf teure Vakuumtechnologie angewiesen zu sein. Die Arbeit zeigt einen neuen Weg, um einfach, preiswert und umweltfreundlich Dünnschicht-Solarzellen auf Kesterit-Basis zu produzieren.

Die Ergebnisse sind nun in "Advanced Science" publiziert: X. Lin, J. Kavalakkatt, M. C. Lux-Steiner, A. Ennaoui, Inkjet-printed Cu2ZnSn(S, Se)4 solar cells, Adv. Sci. 2015. DOI: 10.1002/advs.201500028

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