Das Team von Prof. Peter Müller-Buschbaum an der TUM School of Natural Sciences arbeitet mit einer internationalen Gruppe führender Experten zusammen, um effizientere, nachhaltigere und kostengünstigere Solarzellen zu entwickeln. In Kooperation mit Kolleginnen und Kollegen aus China, Japan und den USA wurden nun bedeutende Fortschritte bei der Weiterentwicklung von Quantenpunkt-Solarzellentechnologien erzielt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.
Quantenpunkt-Solarzellen nutzen nanoskalige Halbleiterpartikel – sogenannte Quantenpunkte – zur Verbesserung der Lichtabsorption und Energieumwandlung in Solarmodulen. Aufgrund ihrer geringen Größe besitzen diese Partikel einzigartige optische und elektronische Eigenschaften, die sich von denen ihrer makroskopischen Gegenstücke unterscheiden. In diesen Solarzellen fungieren Quantenpunkte sowohl als lichtabsorbierende als auch ladungstragende Materialien und können somit die Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen steigern. Die Arbeit von Müller-Buschbaum und seinen Kolleginnen und Kollegen treibt die Entwicklung dieser Technologie weiter voran.
Durch den Einsatz einer innovativen Technik im Bereich der Lösungsmittelchemie-Optimierung wurde eine neue kolloidale Quantenpunkt (CQD) Tinte entwickelt – eine Lösung, die das Material geordnet und effizient auf Halbleiterfilme aufträgt. Damit konnten Solarmodule mit einer Fläche von 12,60 cm² und einer beeindruckenden Energieumwandlungseffizienz von über 10 % auf dieser Skala hergestellt werden. Besonders hervorzuheben sind die deutlich gesunkenen Materialkosten: Sie betragen lediglich 0,06 US-Dollar pro Watt-Peak – eine Einsparung von 94,5 % im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren (siehe auch Abbildung 4d in doi.org/10.1038/s41560-025-01746-4 für weitere Details).
Darüber hinaus wurden die CO₂-Emissionen während der Herstellung der CQD-Solarmodule drastisch reduziert – ein klares Zeichen für die Umweltfreundlichkeit der Technologie sowie für die Vorteile der eingesetzten Lösungsmittelchemie-Strategie zur Prozessvereinfachung. Prof. Müller-Buschbaum betont: „Es ist sehr wichtig, dass man bereits bei neuen Entwicklungen eine Lebenszyklusanalyse von Anfang an in den Prozess mitintegriert.“
Prof. Müller-Buschbaum und sein ehemaliger Doktorand Wei Chen (jetzt Associate Professor für Energie & Photonik an der Shenzhen Technology University in China) haben einen breiten Überblick über das gesamte Forschungsprojekt. Um jedoch solche wissenschaftlichen Durchbrüche zu erreichen, konzentrierten sie sich auf ihr Spezialgebiet: Streumethoden wie „Grazing Incidence Small- und Wide-Angle X-ray Scattering“. Diese fortschrittlichen Streutechniken erlauben die präzise Analyse der mesoskaligen Morphologie und Kristallstruktur, um die Lösungsmittelchemiebasierte Herstellung der CQD-Tinten zu optimieren. „Diese speziellen Streumethoden liefern sehr präzise Informationen über die gedruckten Quantenpunktfilme – die entscheidend sind, um zu erkennen, wie unterschiedliche chemische Zusammensetzungen die Qualität des Ligandenaustauschs verbessern und um Defekte und Probleme zu minimieren, die zu Effizienzverlusten führen“, erklärt Müller-Buschbaum.
Diese Fortschritte stellen einen wichtigen Schritt in Richtung kostengünstiger und nachhaltiger Solarenergie dar und eröffnen neue Möglichkeiten für die industrielle Anwendung von CQD-basierten Elektronikgeräten. Der Durchbruch bei der Einführung dieser neuen Generation von Quantenpunkt-Solarzellen könnte die Zukunft der Solarenergie revolutionieren und verdeutlicht das enorme Potenzial der Quantenpunkt-Technologien für großflächige und kosteneffiziente Anwendungen.
Publikation
G. Shi, W. Chen, P. Müller-Buschbaum, et al.: Overcoming efficiency and cost barriers for large-area quantum dot photovoltaics through stable ink engineering, Nature Energy. doi.org/10.1038/s41560-025-01746-4
Weitere Informationen und Links
- Prof. Müller-Buschbaum, Lehrstuhl für Funktionale Materialien
- Labor für Energie & Photonik von Prof. Wei Chen an der Shenzhen Technology University, China: https://chensztu.github.io/
Kontakt zum Artikel
Prof. Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Lehrstuhl für Funktionale Materialien
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