Perowskit-Solarzellen erreichen im Labor Rekord-Wirkungsgrade, doch der Einsatz reproduktionstoxischer Lösungsmittel wie N,N-Dimethylformamid (DMF) verhindert bislang eine umweltverträgliche industrielle Massenproduktion. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden, des IFW Dresden und der argentinischen Universidad Nacional del Sur hat einen prädiktiven Ansatz entwickelt, der ungiftige Aromastoffe aus der Lebensmittel- und Aromaindustrie systematisch identifiziert und für die Fertigung von Perowskit-Solarzellen erprobt. Die Ergebnisse zeigen, dass das grüne Lösungsmittel Isoamylacetat (IAAc) im Labor einen Spitzenwirkungsgrad von 23,2 % erzielt – damit besser als die etablierte DMF-Referenz.
Hintergrund: Warum herkömmliche Lösungsmittel problematisch sind
Die meisten lösungsmittelbasierten Herstellungsverfahren für Perowskit-Solarzellen nutzen DMF, das unter der EU-REACH-Verordnung als besonders besorgniserregender Stoff (SVHC) eingestuft ist. DMF ist fruchtschädigend und lebertoxisch (Reproduktionstoxizität Kat. 1B) und erfordert aufwändige Absauganlagen sowie strenge Sicherheitsvorkehrungen bei Produktion im Megawatt- oder Gigawatt-Maßstab. Diese regulatorischen und gesundheitlichen Hürden verteuern die Fertigung und behindern die Skalierbarkeit.
Prädiktiver Ansatz – Kombination aus Hansen-Parametern und Dichtefunktionaltheorie (DFT)
Das Team um Bautista-Quijano, Vaynzof und Kolleg:innen entwickelte einen zweistufigen Vorhersageansatz. Zunächst wurden Hansen-Löslichkeitsparameter (HSP) verwendet, um den thermodynamischen Lösungsraum einzugrenzen. Anschließend simulierten quantenchemische DFT-Berechnungen die Bindungs- und Bildungsenergie von Bleiiodid (PbI₂) in den potenziellen Lösungsmitteln. Dieser kombinierte Ansatz ersetzte das herkömmliche Trial-and-Error-Verfahren.
Screening-Ergebnisse: Fünf grüne Lösungsmittel identifiziert
- Isoamylacetat (IAAc) – Ester mit Bananen-/Fruchtaroma
- Isopropylacetat (IPAc)
- ε-Caprolacton (ε-CPL)
- Weitere Ester und Alkohole (insgesamt fünf neuartige grüne Lösungsmittel)
Ergebnisse – Isoamylacetat als Spitzenlösung
Die mit Isoamylacetat hergestellten Perowskitzellen wurden in einer invertierten Architektur ohne Passivierungsadditive gefertigt. Die Messungen lieferten folgende Kennzahlen (Jahr 2026):
- Champion-Wirkungsgrad (PCE): 23,2 %
- Durchschnittlicher Wirkungsgrad mit DMF-Referenz: 21,0 % ± 0,8 %
- Photolumineszenz-Lebensdauer (Ladungsträger-Lebensdauer): 369 ns (IAAc) vs. 270 ns (DMF)
Die längere Lebensdauer belegt eine reduzierte Defektdichte im Kristallgitter, was die höhere Effizienz erklärt.
Toxikologischer Vergleich – DMF vs. grüne Lösungsmittel
DMF ist nach REACH als reprotoxisch Kat. 1B klassifiziert und unterliegt seit 2020 strengen EU-Grenzwerten am Arbeitsplatz (Verordnung 2020/878). Im Gegensatz dazu gelten die identifizierten Ester wie Isoamylacetat als essbare Zusatzstoffe, die bereits in Lebensmitteln zugelassen sind und keine bekannten Reproduktionstoxizitäten aufweisen. Damit bieten sie sowohl regulatorische als auch wirtschaftliche Vorteile für die industrielle Fertigung.
Praktische Implikationen und zukünftige Schritte
Die Methode ermöglicht es, vielversprechende umweltfreundliche Lösungsmittel bereits vor experimenteller Validierung zu identifizieren, was den Aufwand an Laborversuchen reduziert. Dennoch gibt es offene Punkte:
- Skalierbarkeit: Die aktuellen Tests wurden im Spin-Coating auf wenigen Quadrat-Millimetern durchgeführt. Industrielle Großflächenbeschichtungen (z. B. Slot-Die-Coating) weisen andere Verdampfungs- und Kristallisationsdynamiken auf.
- Blei-Problem: Trotz des grünen Lösungsmittels bleibt Bleiiodid (PbI₂) im Kristallgitter, was die Gesamtökobilanz und das Recycling der Zelle weiterhin herausfordert.
Der nächste Forschungsschritt besteht darin, das Potenzial der grünen Lösungsmittel für die Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Perowskit-Solarzellen zu untersuchen und den prädiktiven Ansatz auf weitere lösungsmittelbasierte Elektroniktechnologien zu übertragen.
FAQ – Häufig gestellte Fragen
Welcher konkrete Aromastoff lieferte im Experiment das beste Ergebnis?Isoamylacetat (IAAc) – ein bekannter Fruchtester mit ausgeprägtem Bananengeruch – erreichte einen Labor-Wirkungsgrad von bis zu 23,2 %.Warum ist das herkömmliche Lösungsmittel DMF so problematisch?DMF ist fruchtschädigend und lebertoxisch; unter REACH gelten extreme Arbeitsplatz-Grenzwerte, die eine Fertigung im Fabrikmaßstab verteuern und verkomplizieren.Welche Institutionen waren neben der TU Dresden beteiligt?Das Projekt wurde im Dresdner Exzellenzcluster REC² gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universidad Nacional del Sur in Argentinien durchgeführt.
Umweltfreundlich hergestellte Perowskit-Solarzellen ebenso leistungsfähig
Mithilfe ihres neuen Vorgehens identifizierten die Wissenschaftler:innen bisher unerschlossene grüne Lösungsmittel, darunter auch in der Lebensmittelindustrie verwendete, essbare Zusatzstoffe, und wiesen deren Eignung für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen nach. Die daraus resultierenden Bauelemente waren ebenso leistungsfähig wie solchen, die sie unter Verwendung herkömmlicher giftiger Lösungsmittel gefertigt hatten. Da sich diese Methode auch auf die Suche nach weiteren potenziellen Lösungsmitteln anwenden lässt, könnte sie die Anzahl der erforderlichen Experimente reduzieren und die Forschenden dabei unterstützen, ein wesentlich breiteres Spektrum nachhaltiger Alternativen auszuloten.
In der Fachveröffentlichung in Energy & Environmental Science wird deutlich, welches Potenzial hinter der Entdeckung steckt: Das Dresdner Team um Erstautor Jose Roberto Bautista-Quijano und Professorin Yana Vaynzof kombinierte quantenchemische Berechnungen (DFT) mit Hansen-Löslichkeitsparametern, um gezielt Substanzen zu screenen. Unter den fünf identifizierten Kandidaten stach insbesondere Isoamylacetat (IAAc) hervor – ein auch in Lebensmitteln zugelassener Ester mit intensivem Bananenaroma. Die damit im Labor gefertigten Perowskitzellen erzielten ohne jegliche zusätzliche Passivierungsschichten einen Spitzenwirkungsgrad von 23,2 % und eine Ladungsträgerlebensdauer von 369 Nanosekunden (Bautista-Quijano et al., 2026). Damit überflügelte das unbedenkliche Fruchtaroma sogar die bewährte Labor-Referenz aus N,N-Dimethylformamid (DMF), die im Mittel bei 21,0 % Wirkungsgrad und 270 Nanosekunden lag. Die Ablösung von DMF gilt in der Photovoltaik-Industrie als entscheidender Meilenstein: Das toxische Standard-Lösungsmittel ist nach EU-REACH-Kriterien als fruchtschädigend eingestuft und erfordert bei einer künftigen Massenfertigung aufwendige Schutzvorkehrungen. Bevor Aromastoffe jedoch Fabrikhallen erobern, muss sich die Methode noch in kontinuierlichen Roll-to-Roll-Druckverfahren auf großen Flächen beweisen.
Fazit
Der prädiktive Ansatz, der Hansen-Parameter und DFT-Berechnungen kombiniert, hat gezeigt, dass ungiftige Aromastoffe aus der Lebensmittelindustrie – insbesondere Isoamylacetat – Perowskit-Solarzellen mit einem Spitzenwirkungsgrad von 23,2 % ermöglichen. Im Vergleich zu DMF bietet das grüne Lösungsmittel nicht nur höhere Effizienz und längere Ladungsträger-Lebensdauer, sondern auch erhebliche Vorteile hinsichtlich Arbeitsschutz und regulatorischer Rahmenbedingungen. Während die Laborergebnisse vielversprechend sind, muss die Methode noch in großtechnischen Beschichtungsverfahren validiert werden, und die Bleiiodid-Problematik bleibt zu adressieren. Insgesamt eröffnet diese Forschung einen klaren Pfad zu einer nachhaltigeren, industriell skalierbaren Photovoltaik-Technologie.
