Lösungsmittelfreie Tandemsolarzellen

Forschende der Nachwuchsgruppe Optoelektronische Dünnschichtmaterialien am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben eine neue Prozesskette für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entwickelt, die vollständig ohne Lösungsmittel auskommt. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt im renommierten Fachjournal Joule veröffentlicht.

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen gelten als vielversprechende Technologie für die nächste Generation hocheffizienter Solarzellen. Herkömmliche Herstellungsverfahren basieren jedoch auf Lösungsmitteln, die unter anderem Herausforderungen hinsichtlich der Löslichkeit der Ausgangsmaterialien, ihrer Toxizität sowie der Homogenität und Kompatibilität einzelner Prozessschritte mit sich bringen. Dem Freiburger Forschungsteam ist es nun gelungen, diese Probleme vollständig zu umgehen und einen nachhaltigeren sowie potenziell besser skalierbaren Herstellungsprozess zu entwickeln.

Im Mittelpunkt des Projekts steht die Herstellung der Perowskitschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) und weiterer lösungsmittelfreier, industriell skalierbarer Verfahren. Die Perowskitschicht wurde durch sequentielle Verdampfung hergestellt. Um die Kristallbildung während der Abscheidung und des anschließenden Temperprozesses besser zu verstehen, überwachte das Forschungsteam um Mohamed A. A. Mahmoud und Dr. Juliane Borchert den Prozess mithilfe von In-situ-Röntgendiffraktometrie (XRD). Darüber hinaus untersuchten die Forschenden den Einfluss der Oberflächenstruktur von Siliziumsubstraten auf die Bildung der Perowskitschicht. Für diese Spezialmessungen kooperierten die Freiburger Wissenschaftler*innen mit Forschenden von der Martin-Luther-Universität Halle, der Universidad Pablo de Olavide in Sevilla, Spanien, der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabien, und dem ODTU-GÜNAM Forschungszentrum in der Türkei.

Ein besonderes Alleinstellungsmerkmal der Arbeit ist die Entwicklung der weltweit ersten vollständig lösungsmittelfrei hergestellten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle. Gleichzeitig liefert der Einsatz der In-situ-XRD in Kooperation mit der MLU Halle, während der Verdampfung und des Temperns neue Erkenntnisse über die Kristallisationsprozesse. Diese bilden eine wichtige Grundlage für die weitere Optimierung der Technologie und ihre zukünftige industrielle Umsetzung.

„Es ist uns gelungen, sämtliche Lösungsmittel aus dem Herstellungsprozess der Perowskit-Topzelle mit großer Bandlücke zu eliminieren und diese Technologie in die weltweit erste vollständig lösungsmittelfrei hergestellte Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle zu integrieren“, sagt Mohamed A. A. Mahmoud.

„Dank einer exzellenten Zusammenarbeit mit Forschenden aus vier verschiedenen Ländern konnten wir verschiedenen Messmethoden kombinieren, um die Prozesse während der Abscheidung der Perowskitdünnschichten im Detail zu verstehen,“ ergänzt Dr. Juliane Borchert. „Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen haben ein großes Potential die nächste Generation hocheffizienter Solarzellen zu werden. Damit sie den Sprung vom Labor in die industrielle Fertigung schaffen, ist es notwendig die beste Kombination von Abscheidemethoden zu finden, die eine verlässliche Herstellung, im großen Maßstab, und mit hohem Durchsatz ermöglichen. Dafür legen wir mit dieser lösungsmittelfreien Tandemsolarzelle eine wichtige Grundlage.“

Diese Forschung wurde finanziert von der Vector Stiftung, der Deutsche Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und durch das Spanische Ministerium für Universitäten.

Link zum Beitrag im Fachjournal Joule: https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(26)00330-2

Kontakt:

Dr. Juliane Borchert
Leiterin der Arbeitsgruppe „Optoelektronische Dünnschichtmaterialien“ am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg
Leiterin der Arbeitsgruppe „Perowskit-Materialien und Grenzflächen“ am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
Tel: +4976145885475
E-Mail: juliane.borchert@inatech.de

Mohamed A. A. Mahmoud
PhD Researcher
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE & University of Freiburg
Freiburg im Breisgau, Germany
Email: mohamed.mahmoud@ise.fraunhofer.de

Kerstin Steiger-Merx
Referentin PR/Marketing
Technische Fakultät
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-8056
E-Mail: steiger-merx@tf.uni-freiburg.de

26.08.2026