Herr Stannowski, das Helmholtz-Zentrum Berlin hat schon früh begonnen, mit Perowskiten zu experimentieren, was hat Sie bewogen, da so groß einzusteigen?

Am HZB gab es von jeher ein breit gefächertes Spektrum an Themen rund um Energiematerialien, da wir in der Analytik exzellent aufgestellt sind. Vor allem Photovoltaik Dünnschichttechnologie ist seit sehr vielen Jahren am HZB etabliert. Unter anderem haben wir mit dem Synchrotron BESSY II ein Werkzeug, mit dem wir Grenzflächen analysieren können. Denn bei allen Dünnschichttechnologien und auch bei den etablierten Siliziumzellen passiert alles Entscheidende an den Oberflächen und an den Grenzflächen. BESSY II ist eine Strahlungsquelle, die extrem helles Röntgenlicht erzeugt, so dass man Proben auf atomarer Ebene analysieren kann. Wir haben vor rund 10 Jahren die Chance genutzt, mit Nachwuchsgruppen das neue Thema Perowskite am HZB breit zu verankern, da andere Dünnschicht-Technologie nur noch partiell weiterentwickelt werden und Silizium bereits sehr gut erforscht und in der Massenproduktion etabliert ist.

Stellen Sie eigentlich die Perowskite, die Sie erforschen, auch am Institut selbst her?

Ja, die Perowskite stellen wir komplett hier am Zentrum her. Das ist auch in einem kleinen Labor mit wenig Aufwand möglich. Deshalb hat das Forschungsfeld auch so geboomt, weil in vielen Gruppen schnell begonnen werden konnte. Die Krux liegt eher darin, es möglichst schlau anzustellen. Die Vielfalt der verschiedenen Materialien und Additive, die man kombinieren kann, ist groß. Es kommt vor allem auf die Chemie an bei den Perowskiten. Diese Vielfalt führt auch dazu, dass es Gruppen gibt, die in verschiedene Richtungen forschen. Perowskite kann man kombiniert mit Silizium als Tandemzelle einsetzen, aber auch ohne Silizium miteinander kombinieren und sogar Dreifach (Tripel) Zellen damit bauen. Für Tandemzellen aus Silizium in Verbindung mit Perowskit haben HZB-Teams bereits mehrfach Weltrekorde erzielt.

Wie kommen dann die Perowskit-Kristalle aufs Silizium?

Es gibt verschiedene Methoden. Das Aufdampfen im Vakuum, ähnlich wie bei anderen Dünnschichttechnologie, ist eine Möglichkeit. Sie wird am HZB neben anderen Methoden entwickelt. Daneben gibt es nass-chemische Prozesse. Die Kristalle werden in einer Lösung aufgetragen, die Lösungsmittel dann thermisch entfernt. Zusätzlich kann man die beiden Methoden kombinieren. Jeder Weg hat Vor- und Nachteile, insbesondere wenn es Richtung industrielle Fertigung geht. Zum jetzigen Zeitpunkt wissen wir noch nicht, mit welcher Methode man die besten und die günstigsten Solarzellen herstellen kann.

Das klingt nach vielen Experimenten…

Deshalb wollen wir künftig auch automatisierte Experimente durchführen. Man kann sich das so vorstellen: verschiedene Chemikalien werden von einem Roboter miteinander gemischt, auf einer kleinen Fläche wird die Schicht automatisiert hergestellt und später - ebenfalls automatisiert – ermittelt, ob die Eigenschaften gut sind. Das Ganze kann im Prinzip autonom sieben Tage die Woche 24 Stunden – zum Teil auch selbstlernend - laufen.

Gibt es noch Grundlegendes zu erforschen, bevor Perowskit-Module industriell hergestellt werden können?

Dass die Perowskit-Zellen hohe Wirkungsgrade erzielen, ist bewiesen. Aber die Eigenschaften, die dazu führen, bringen das Problem mit sich, dass die Zellen nicht besonders stabil sind. Das heißt, niemand schafft es derzeit, die Leistung solcher Zellen oder gar Photovoltaik-Module über 20 Jahre zu garantieren. Daran hängt jedoch die gesamte Kommerzialisierung. Die Langzeitstabilität von Perowskit-Modulen ist deshalb ein großes Forschungsthema, auch am HZB.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin wird viel an Grenzflächen geforscht. Kann man sie denn tatsächlich so gestalten, wie man sie haben will?

Das ist eine gute Frage. Grundsätzlich geht das. Aber zuerst will man verstehen, was an der Grenzfläche genau passiert. Stark vereinfacht hat eine Solarzelle zwei Grenzflächen, die Ober- und Unterseite. Auf der einen Seite ist der Lochkontakt für die positiven Ladungen, auf der anderen der Elektronenkontakt, und beide sind essenziell wichtig, vor allem ein guter elektrischer Kontakt und eine sehr gute elektrische Passivierung des Perowskits. Man hat schon ganz gute Wege dahin gefunden, aber noch nicht das Optimum. Wir haben bisher nicht umfassend verstanden, warum manche Ergebnisse gut sind und andere nicht. Wenn man verstanden hat, warum ein Material gut ist und ein anderes weniger, kann man gezielt ein drittes Material suchen, das noch besser ist. Denn dann weiß man, wonach man suchen muss.

Was sind weitere Forschungsthemen?

Die Eigenschaften der eigentlichen Kristall-Schicht geben ebenfalls noch Rätsel auf.  Warum sind manche Schichten besser als andere, welche Ionen können wie wandern, all das sind noch Fragen, die wir uns mit mikroskopischen Technologien anschauen. Viele Dinge werden auch erst sichtbar, wenn man die Solarzelle herstellt und testet. Das machen wir in großem Umfang – häufig in Kooperation mit Industriepartnern. Die Solarzellen werden zudem in Außenanlagen betrieben, um zu beobachten, wie sie sich unter realen Bedingungen verhalten. Manche Zellen sind bereits seit vielen Jahren im Einsatz.  Effekte und Probleme, die wir dabei finden, sind dann wiederum Gegenstand der neuen Versuche im Labor.

Das Gespräch führte Petra Franke.

_{Bernd Stannowski ist Professor an der Berliner Hochschule für Technik und erforscht am Helmholtz-Zentrum Berlin mit seinem Team industrielle Technologien für Silizium und Perowskit Solarzellen. Am HZB gibt es mehrere Abteilungen, die die verschiedenen Aspekte der Perowskit-Photovoltaik untersuchen.}