TU Dresden: Für umweltfreundlichere Solarzellen

Mithilfe von Computermodellen können die Wissenschaftler des Exzellenzclusters „REC² - Verantwortungsvolle Elektronik im Zeitalter des Klimawandels“ der TUD und des Leibniz-Institutes für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden vorhersagen, welche weniger bedenklichen Lösungsmittel sich für die Produktion eignen. Darunter sind auch Substanzen, die bislang vor allem als Aromastoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Erste damit hergestellte Solarzellen erreichen eine vergleichbare Leistung wie herkömmliche, mit giftigen Lösungsmitteln hergestellte Zellen und weisen damit einen vielversprechenden Weg hin zu einer verantwortungsvolleren Produktion elektronischer Technologien.

Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Technologie für die Photovoltaik der nächsten Generation, da sie mithilfe lösungsmittelbasierter Herstellungsverfahren einen hohen Wirkungsgrad erzielen können. Ihre Produktion basiert bisher jedoch meist auf Lösungsmitteln, die für die menschliche Gesundheit und die Umwelt schädlich sein können. Geeignete Alternativen zu finden ist eine Herausforderung, da die Eigenschaften des Lösungsmittels einen starken Einfluss darauf haben, wie die Materialien für Solarzellen verarbeitet werden und wie gut das resultierende Bauteil funktioniert.

Die Suche nach neuen Lösungsmitteln basierte bislang traditionell auf experimentellem Ausprobieren. Die Forschenden testen im Labor verschiedene Substanzen, bis sie eine Kombination finden, die geeignet ist. Das Team des Exzellenzclusters REC² an der TU Dresden, des IFW Dresden und der Universidad Nacional del Sur in Argentinien hat nun einen prädiktiven Ansatz entwickelt, der diesen Einstiegspunkt verändert. Durch die Kombination mehrerer physikalischer und chemischer Modelle können die Forschenden vielversprechende umweltfreundliche Lösungsmittel identifizieren, noch bevor diese experimentell getestet werden.

„Wir haben festgestellt, dass es keinerlei Ansätze gibt, um das Problem giftiger Lösungsmittel in lösungsmittelbasierten Solarzellen systematisch anzugehen. Das hat uns dazu veranlasst, zu überlegen, ob wir die Suche nach geeigneten Lösungsmitteln nicht komplett neu überdenken sollten“, meint Prof. Dr. Yana Vaynzof, Direktorin des Institute for Emerging Electronic Technologies (IET) am IFW und Inhaberin der Professur für Neuartige Elektroniktechnologien an der Technischen Universität Dresden.

Mithilfe ihres neuen Vorgehens identifizierten die Wissenschaftler 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 diejenigen, die unter Verwendung herkömmlicher giftiger Lösungsmittel gefertigt wurden. 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.

Das Forschungsergebnis spiegelt den Ansatz des Exzellenzclusters REC² wider, dessen Ziel es ist, Elektronik über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg nachhaltiger zu gestalten. Es leistet einen Beitrag zu drei der sechs Responsible Aim Programs des Clusters: Replace, Reduce, and Recycle - Ersetzen, Reduzieren und Recyceln. Durch die Verringerung der Abhängigkeit von giftigen Substanzen und des Ressourcenaufwands zur Entwicklung geeigneter Alternativen könnte diese Herangehensweise dazu beitragen, die Umweltbelastung durch die Solarzellenherstellung zu senken und gleichzeitig die Entwicklung nachhaltigerer Elektroniktechnologien zu fördern.

Der nächste Schritt besteht nun darin, das Potenzial umweltfreundlicher Lösungsmittel zur Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Perowskit-Solarzellen zu untersuchen. Der prädiktive Ansatz könnte auch auf andere lösungsmittelbasierte Elektroniktechnologien übertragen werden und damit neue Wege zu einer nachhaltigeren Fertigung eröffnen.