Effizientes Reverse Design von grünen Lösungsmitteln für neuartige, aus Lösung prozessierte Photovoltaik-Technologien (Abschlussbericht)

Abstract

Solarenergie spielt eine entscheidende Rolle beim Übergang zu nachhaltigen Energiesystemen. Moderne Dünnschicht-Solarzellen, wie organische Photovoltaik (OPV) und Perowskit-Solarzellen, bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumwafern: Sie sind leichter, flexibel und können mit kostengünstigen Druck- und Beschichtungstechniken hergestellt werden. Ihre Herstellung basiert jedoch derzeit auf toxischen Lösungsmitteln wie z.B. Dimethylformamid und N-Methyl-2-pyrrolidon, die Gesundheitsrisiken und Umweltbelastungen verursachen. Vor diesem Hintergrund wurde das Projekt GreenPHOTOSOLV als Kollaborationsprojekt der Universität Freiburg, der Universität Strasbourg und der Universität Toulouse durchgeführt. Die Arbeiten der Universität Freiburg widmeten sich der Entwicklung gesünderer, biobasierter Alternativen zu den genannten schädlichen Lösungsmitteln. Das Forschungsteam kombinierte experimentelle Ansätze mit computergestütztem Moleküldesign der Partner am INP Toulouse, um neue Lösungsmittel aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln. Mit einer Methode namens Computer-Aided Molecular Design (CAMD) wurden Molekülstrukturen systematisch entworfen und geprüft, um alle erforderlichen Eigenschaften zu erfüllen: gute Löslichkeit für lichtabsorbierende Materialien, geeignetes Verdampfungsverhalten, niedrige Toxizität und gute Umweltverträglichkeit. Im Projekt wurden erfolgreich mehrere vielversprechende grüne Lösungsmittelkandidaten für Perowskit-Solarzellen identifiziert. Diese Alternativen erreichen vergleichbare Wirkungsgrade wie herkömmliche toxische Lösungsmittel und reduzieren gleichzeitig erheblich die Gesundheits- und Umweltrisiken. Die entwickelte Methodik stellt einen neuartigen Weg zur Identifizierung alternativer und umweltfreundlicher Lösungsmittelsysteme für die Industrie dar, die auf aus Lösung prozessierbarer Photovoltaik spezialisiert ist, und ermöglicht nachhaltigere und sicherere Produktionsprozesse für erneuerbare Energietechnologien. Dies trägt direkt zu den Zielen der Europäischen Union für den Übergang zu sauberer Energie und reduzierten Umweltauswirkungen der Industrie bei. Solar energy plays a crucial role in the transition to sustainable energy systems. Modern thinfilm solar cells, such as organic photovoltaic (OPV) and perovskite solar cells, offer signifi- cant advantages over traditional silicon panels: they are lighter, flexible, and can be produced using cost-effective printing and coating techniques. However, their manufacturing currently relies on toxic solvents, e.g. Dimethylformamide and N-Methyl-2-pyrrolidone, that pose health risks and environmental concerns. In this context, the GreenPHOTOSOLV project was conducted as a collaborative effort between the University of Freiburg, the University of Strasbourg, and the INP Toulouse. The work at the University of Freiburg focused on developing healthier, bio-based alternatives to the aforementioned harmful solvents. The research team combined experimental approach- es with computer-aided molecular design of the partners at the University of Toulouse to create new solvents from renewable raw materials. Using a method called Computer-Aided Mo- lecular Design (CAMD), molecular structures were systematically designed and screened to meet all required properties: good solubility for light-absorbing materials, appropriate evapo- ration behavior, low toxicity, and environmental compatibility. The project successfully identified several promising green solvent candidates for perovskite solar cells. These alternatives achieve comparable power conversion efficiencies to conven- tional toxic solvents while significantly reducing health and environmental risks. The developed methodology represents a novel pathway for identification of alternative and greener solvent systems for industry focused on solution-processable photovoltaics, enabling more sustainable and safer production processes for renewable energy technologies. This contrib- utes directly to European Union goals for clean energy transition and reduced industrial environmental impact.