Wirtschaftliche Alternativen zur Dünnschichtabscheidung

In der heutigen Fertigungslandschaft von Photovoltaik-Technologien und hochentwickelten elektronischen Bauelementen bestimmen Leistung und Kosten von Dünnschichtabscheidungsprozessen direkt die Wettbewerbsfähigkeit der Endprodukte. Traditionelle Vakuumabscheidungstechnologien wie das Sputtern werden seit Langem zur Herstellung funktionaler Schichten für verschiedene Dünnschichtsolarzellen eingesetzt, beispielsweise für Metallelektroden, transparente leitfähige Oxide und partielle Absorptionsschichten. Solche Vakuumanlagen sind jedoch von Natur aus kostspielig und arbeiten typischerweise im Batch-Betrieb. Dies begrenzt nicht nur die Produktivitätssteigerung, sondern schränkt auch die Flexibilität bei der Anpassung an neue Materialsysteme (z. B. Perowskite, organische Halbleiter oder neuartige Komposite) ein. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, etabliert sich die Ultraschall-Sprühbeschichtung als äußerst kosteneffiziente Alternative oder ergänzende Lösung für die Großserienfertigung. Sie bietet insbesondere für lösungsmittelbasierte Funktionsschichten – insbesondere für Perowskit-Aktivschichten und Multilayer-Strukturen aus gemischten Materialien – deutliche Vorteile.

Grenzen der konventionellen Vakuumabscheidung und die Notwendigkeit des Prozesswechsels
Zunächst ist es wichtig zu verstehen, warum die Industrie aktiv nach Alternativen zur Vakuumabscheidung sucht. Anlagen zur Sputter- oder chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) benötigen Ultrahochvakuum, was teure Vakuumkammern, komplexe Pumpsysteme, energieintensive Betriebs- und Wartungsarbeiten sowie Reinraumumgebungen erfordert. Solche Anlagen verlangen nicht nur eine Anfangsinvestition in zweistelliger Millionenhöhe, sondern erfordern auch wiederholte Schritte vor und nach jeder Charge – darunter Evakuierung, Entlüftung und Kammerreinigung –, was zu einer diskontinuierlichen, chargenbasierten Produktion führt. Für Teams in Forschung und Entwicklung oder Kleinserienfertigung, die häufige Anpassungen der Prozessparameter, Targetmaterialien oder Vorläuferformulierungen benötigen, verlängert die hohe Trägheit der Vakuumanlagen die Versuchszyklen erheblich. Beispielsweise sind bei der Entwicklung von Perowskitmaterialien der nächsten Generation oft Änderungen der Zusammensetzungsverhältnisse oder der Lösungsmittelsysteme erforderlich. Der Austausch von Targets oder Gasquellen in Vakuumanlagen kann jedoch mehrere Tage dauern und den effizienten Übergang von der Laborforschung zur Pilotlinienproduktion direkt behindern.

Technisches Prinzip und Kostenvorteile der Ultraschall-Sprühbeschichtung
Im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie basiert die Ultraschall-Sprühbeschichtung auf einem völlig anderen physikalischen Mechanismus. Diese Technologie nutzt hochfrequente Ultraschallschwingungen, um Lösungsvorstufen in Mikro- oder sogar Submikrontröpfchen zu zerstäuben, die anschließend gleichmäßig mittels eines Trägergases auf eine erhitzte Substratoberfläche aufgebracht werden. Das Lösungsmittel verdampft schnell und bildet einen dichten, dünnen Feststofffilm. Da der gesamte Prozess unter Atmosphärendruck oder nahezu Atmosphärendruck in einer inerten Atmosphäre abläuft, entfallen teure Vakuumsysteme vollständig, wodurch die Investitionskosten für die Anlagen um mehr als eine Größenordnung gesenkt werden. Gleichzeitig ermöglicht die Ultraschall-Sprühbeschichtung eine kontinuierliche Inline-Produktion: Die Substrate durchlaufen die Sprühstation kontinuierlich im Rolle-zu-Rolle- oder Lineartransportmodus, wobei die Filmbeschichtung ohne Wartezeiten für Vakuumpumpen oder Entlüften erfolgt. Dies wandelt das Produktionstempo von „Minuten pro Charge“ in einen kontinuierlichen Fluss von „Metern pro Minute“ um. Diese Kontinuität verbessert nicht nur den Ausstoß pro Zeiteinheit erheblich, sondern eliminiert auch Qualitätsschwankungen, die durch Schwankungen der Vakuumbedingungen zwischen den Chargen verursacht werden.

Höhere Materialausnutzung und geringere Kosten pro Watt
Ultraschallsprühen zeichnet sich durch eine besonders hohe Materialausnutzungseffizienz aus. Beim Sputtern werden die Atome des Targets mit hochenergetischen Ionen beschossen, wobei sich jedoch nur ein Teil auf dem Substrat ablagert, während der Rest auf die Kammerwände oder Abschirmungen trifft. Dies führt typischerweise zu einer Materialausnutzung von lediglich 30–50 %. Beim Ultraschallsprühen werden hingegen nahezu alle Tröpfchen durch den Gasstrom auf die effektive Fläche des Substrats geleitet. Mit präziser Sprühweggestaltung kann die Materialausnutzung 90 % übersteigen. Bei Perowskitschichten, die teure Vorläufer wie bestimmte Seltenerdmetallsalze oder organische Liganden verwenden, führt diese Effizienzsteigerung direkt zu einer signifikanten Reduzierung der Herstellungskosten pro Watt. Darüber hinaus eignet sich das Ultraschallsprühen für sehr verdünnte Lösungen oder hochviskose Tinten, ohne die extrem hohen Anforderungen an Targetreinheit, Dichte oder Gasreinheit wie bei Vakuumprozessen zu stellen. Dies senkt die Rohstoffbarrieren und die Kosten der Lieferkette weiter.

Schnelle Formelanpassung und nahtloser Übergang von der Forschung und Entwicklung zur Produktion
Einer der größten Vorteile für F&E-Ingenieure ist die Prozessflexibilität des Ultraschallsprühens. Bei der Untersuchung neuer Perowskit-Zusammensetzungen, Lösungsmittelsysteme oder Additive muss lediglich die Sprühlösung gewechselt und einige wenige Parameter angepasst werden – darunter Ultraschallleistung, Flüssigkeitsdurchflussrate, Trägergasfluss und Substrattemperatur. Formelwechsel und neue Abscheidungsversuche lassen sich in der Regel innerhalb weniger Minuten durchführen. Dies steht im deutlichen Gegensatz zum aufwendigen Vakuumsputtern, das das Öffnen der Kammer, den Targetwechsel und die erneute Evakuierung erfordert. Daher nutzen viele Startups und Forschungsteams das Ultraschallsprühen im Labor für ein schnelles Materialscreening und skalieren den Prozess anschließend direkt auf Pilotanlagen und sogar die Massenproduktion. Die Hydrodynamik und der Stofftransport des Ultraschallsprühens weisen eine ausgezeichnete lineare Skalierbarkeit über verschiedene Düsenbreiten und Substratgrößen hinweg auf. Diese schnelle Übertragbarkeit von der Forschung und Entwicklung zur Produktion verkürzt den Kommerzialisierungszyklus neuer Solarzellentechnologien erheblich.

Typische Anwendungen in Perowskit- und Tandem-Solarzellen
In der Dünnschicht-Photovoltaik reagieren Perowskit-Aktivschichten sehr empfindlich auf Lösungsmittel, Hitze und Feuchtigkeit. Konventionelles Sputtern führt häufig zu Ionenbeschuss oder thermischer Spannung, während Ultraschall-Sprühbeschichtung ein schonendes Beschichtungsverfahren darstellt: Die Tröpfchen berühren die Oberfläche sanft, ohne die darunterliegenden Strukturen zu beschädigen. Es wurde nachgewiesen, dass Ultraschall-Sprühbeschichtung gleichmäßige, gut kristallisierte Schichten bei der Herstellung von Lochtransportschichten, Perowskit-Intrinsikschichten und Elektronentransportschichten in regulären oder invertierten Perowskit-Solarzellen erzeugt. Für komplexere Perowskit/Silizium-Tandemzellen oder reine Perowskit-Tandemzellen ist eine konforme Beschichtung großer, texturierter oder rauer Oberflächen mit mehreren unterschiedlichen Materialien erforderlich. Dank der nicht-direktionalen Beschichtung (die Tröpfchen können mit Gas um die Oberflächen fließen) und der überlegenen Stufenabdeckung ist Ultraschall-Sprühbeschichtung ein ideales Verfahren, das durch Vakuum-Sputtern nur schwer zu ersetzen ist. Viele Hersteller nutzen heute Sputtern für Metall- oder transparente Elektroden und Ultraschallsprühbeschichtung für Perowskit-Lichtabsorptionsschichten sowie einige Grenzflächenmodifikationsschichten. So entsteht ein hybrides Verfahren, das Vakuum und Nicht-Vakuum kombiniert. Dadurch bleiben die Vorteile der traditionellen Technologie hinsichtlich der hohen Elektrodenqualität erhalten, während gleichzeitig die Vorteile einer kostengünstigen und kontinuierlichen Herstellung aktiver Schichten genutzt werden.

Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ultraschallsprühbeschichtung nicht alle Vakuumbeschichtungsverfahren vollständig ersetzen soll. Vielmehr bietet sie eine äußerst kosteneffiziente, kontinuierlich herstellbare, materialeffiziente und äußerst flexible Alternative oder Ergänzung für lösungsmittelverarbeitbare Funktionsschichten – insbesondere für Perowskit- und Mehrfachsolarzellen-Tandemstrukturen. Die wichtigsten Gründe für die Anwendung dieser Technologie durch Hersteller lassen sich in vier Punkten zusammenfassen:

Deutlich geringere Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu Sputtern oder CVD;
Unterstützung der kontinuierlichen Inline-Verarbeitung ohne die Ineffizienz von Vakuum-Batch-Zyklen;
Hohe Vorläuferausnutzung, wodurch die Kosten pro Watt effektiv gesenkt werden;
Die einfache Anpassung der Formel und die direkte Übertragbarkeit der F&E-Parameter auf die Produktion beschleunigen die Industrialisierung neuer Photovoltaik-Technologien erheblich. Da Perowskit-Solarzellen in Richtung Gigawatt-Produktion tendieren, dürfte sich das Ultraschallsprühverfahren zu einem der wichtigsten Beschichtungsverfahren entwickeln und die Produktion sauberer Energie in eine wirtschaftlichere, effizientere und flexiblere Zukunft führen.

Über Cheersonic

Cheersonic ist der führende Entwickler und Hersteller von Ultraschallbeschichtungssystemen zum Auftragen präziser Dünnschichtbeschichtungen zum Schutz, Festigen oder Glätten von Oberflächen auf Teilen und Komponenten für die Mikroelektronik/Elektronik, alternative Energie, Medizin und Industrie, einschließlich spezialisierter Glasanwendungen im Bau und Automobil.

Unsere Beschichtungslösungen sind umweltfreundlich, effizient und äußerst zuverlässig und ermöglichen eine drastische Reduzierung des Übersprays, Einsparungen beim Rohstoff-, Wasser- und Energieverbrauch und eine verbesserte Prozesswiederholbarkeit, Transfereffizienz, hohe Gleichmäßigkeit und reduzierte Emissionen.