Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein neuartiges, vollständig lösungsmittelfreies Vakuum-Co-Verdampfungsverfahren entwickelt, das die Effizienz von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf 30,3 % (Labor) bzw. 29,7 % (zertifiziert) steigert. Durch den Einsatz einer ultradünnen Cäsiumchlorid-Keimschicht (CsCl) wird das Wachstum der Perowskit-Schicht auf industriell texturierten Silizium-Wafern homogenisiert und die Bildung von störendem Bleiiodid (PbI₂) an der Grenzfläche unterdrückt. Dieses Verfahren löst zentrale Skalierungs- und Stabilitätsprobleme, die bei herkömmlichen nasschemischen Beschichtungen auftreten.
Warum lösungsmittelfreie Co-Verdampfung entscheidend ist
Viele Labor-Wirkungsgradrekorde basieren auf Spin-Coating, einem nasschemischen Verfahren, das sich nur schwer auf großflächige, texturierte Silizium-Wafer übertragen lässt. Das HZB-Verfahren verwendet ein industriell kompatibles Vakuum-Aufdampfverfahren, das keine toxischen Lösungsmittel benötigt. Der Verzicht auf flüssige Vorläufer erhöht die Prozessstabilität und reduziert das Risiko von Schichtdickenrissen an steilen Texturkanten.
Verwendetes Lochleitermaterial und Mechanismus der CsCl-Keimschicht
Als Hole-Transport-Layer (HTL) kam das organische Molekül MeO-2PACz zum Einsatz. Auf den pyramidenförmigen Strukturen texturierter Wafer neigt MeO-2PACz dazu, sich in den Tälern ungleichmäßig anzusammeln, was zu einer variablen Schichtdicke führt. Die ergänzende, hauchdünne CsCl-Zwischenschicht wirkt als Keimschicht, die:
- die Lücken der selbstorganisierenden Monoschicht (SAM) ausgleicht,
- die Bildung von schädlichem Bleiiodid (PbI₂) an der Grenzfläche verhindert,
- den Einbau der organischen Perowskit-Vorläufer auch in unterdeckten Zonen fördert,
- ein epitaktisch homogeneres Kristallwachstum mit signifikant größeren Körnern ermöglicht.
Rasterelektronen- und Infrarot-Nahfeld-Rastersondenmikroskopie (IR-s-SNOM) zeigten, dass Perowskit-Schichten ohne Keimschicht kleinkörnig und defektreich wachsen, während die CsCl-unterstützten Schichten größere Kristalle und weniger Defekte aufweisen.
Industrielle Einordnung: Vakuum-Co-Verdampfung vs. Flüssigprozessierung
Obwohl nasschemische Laborzellen bereits Spitzenwirkungsgrade von über 34 % bis 35 % erreichen, gilt das thermische Co-Verdampfen im Hochvakuum als robuster für die Massenfertigung. Es ähnelt etablierten Prozessen der OLED-Display-Industrie und verhindert Schichtdickenrisse an steilen Texturkanten. Die HZB-Ergebnisse positionieren das Vakuum-Verfahren als konkurrenzfähige Alternative, die trotz etwas niedrigerer Effizienz gegenüber Labor-Spin-Coating-Methoden eine deutlich höhere industrielle Relevanz aufweist.
Technische Kennzahlen und Messmethoden
- Zertifizierter Wirkungsgrad der Tandemzelle: 29,7 % (2026)
- Labor-Wirkungsgrad (In-house): 30,3 % (2026)
- Industrieller Labor-Spitzenwert (nasschemisch / Hybrid): > 34 % (2026)
- Ortsauflösung der XPEEM-Messungen an BESSY II: 18 nm (2026)
- Publikationsdatum der Facharbeit (Joule): 26. August 2026
Die Röntgen-Photoemissions-Elektro-Mikroskopie (XPEEM) am BESSY II bestätigte, dass ohne CsCl-Keimschicht die Perowskit-Schicht die darunterliegenden Inhomogenitäten nicht ausgleichen kann und an der Grenzfläche Bleiiodid entsteht. Mit der Keimschicht wird dieses Problem eliminiert.
Investitions- und Prozess-Herausforderungen
Der Übergang zu Hochvakuum-Co-Verdampfungsanlagen bringt spezifische Risiken mit sich:
- Hohe Investitionskosten (CAPEX): Thermische Co-Verdampfungsanlagen im Hochvakuum sind teurer als nasschemische Slot-Die-Coating-Systeme, was die Anfangsinvestitionen von Zellfabriken erhöht.
- Präzise Ratenkontrolle: Die simultane Verdampfung organischer und anorganischer Vorläufer erfordert eine extrem genaue, dynamische Steuerung über große Waferflächen, um stöchiometrische Abweichungen zu vermeiden.
Trotz dieser Hürden zeigen die Ergebnisse, dass das Verfahren die 30-Prozent-Marke auf volltexturiertem Silizium stabil durchbrechen kann – ein entscheidender Schritt für die Kommerzialisierung.
Höhere Stabilität durch Verzicht auf Lösungsmittel
Das komplett lösungsmittelfreie Verfahren erhöht die Langzeitstabilität der Tandemzellen, weil keine flüchtigen organischen Lösungsmittel mehr im Herstellungsprozess eingesetzt werden. Die Vermeidung von Lösungsmitteln reduziert zudem das Risiko von chemischen Degradationen an den Grenzflächen.
Die Ergebnisse zeigen, dass das lösungsmittelfreie Verfahren die langfristige Zuverlässigkeit der Tandemzellen deutlich erhöht.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Warum ist das Erreichen von 30,3 % bemerkenswert, wenn andere Rekorde bereits höher liegen?
Höhere Rekorde stammen meist aus nasschemischen Laborbeschichtungen (Spin-Coating), die nicht großserientauglich sind. 30,3 % (29,7 % zertifiziert) stellen einen Spitzenwert für ein lösungsmittelfreies, vollständig aufgedampftes Perowskit-Verfahren auf texturiertem Silizium dar.
Welche Rolle spielt die Cäsiumchlorid-Schicht im Detail?
CsCl dient als Nukleations- und Keimschicht. Sie gleicht Lücken der selbstorganisierenden Monoschicht (SAM, MeO-2PACz) aus, unterdrückt die Bildung von schädlichem Bleijodid an der Kontaktstelle und vergrößert die Kristallkörner der Perowskit-Schicht.
Fazit
Das HZB-Team um Viktor Škorjanc und Marcel Roß hat mit einer CsCl-Keimschicht und dem organischen Lochleiter MeO-2PACz ein industriell skalierbares Vakuum-Co-Verdampfungsverfahren etabliert, das die Effizienz von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf 30,3 % (Labor) bzw. 29,7 % (zertifiziert) hebt. Durch die Lösung von Grenzflächen-Inhomogenitäten, die Vermeidung toxischer Lösungsmittel und die Anlehnung an bewährte OLED-Produktionsprozesse wird ein wichtiger Schritt vom Labor- zum Markt-Transfer vollzogen. Trotz höherer Anfangsinvestitionen und anspruchsvoller Ratenkontrolle bietet das Verfahren eine vielversprechende Basis für die zukünftige Massenfertigung hocheffizienter Tandemsolarzellen.
