Energieversorgung der Zukunft sichern


Im Labor werden Solarzellen untersucht.

Die Forschung zur Umwandlung von Solarenergie ist noch lange nicht abgeschlossen, im Gegenteil: Sie liefert viele Alternativen zu konventionellen Solarzellen aus kristallinen Siliziumwafern, deren Herstellung viel Energie kostet. Insbesondere Dünnschichtsolarzellen aus Silizium und anderen Halbleitermaterialien haben ein enormes Potenzial: Ihr Wirkungsgrad kann noch gesteigert und der Material- und Energieeinsatz bei der Herstellung gesenkt werden. Großer Forschungsbedarf besteht auch bei Materialien und Komponenten zur Energiespeicherung wie solaren Brennstoffen oder Brennstoffzellen.

Europaweit führend in der Solarenergieforschung ist das Helmholtz-Zentrum Berlin: Wir haben große Forschungsinfrastrukturen aufgebaut, die uns einen tiefen und genauen Einblick in die Materie ermöglichen. Insbesondere erlauben sie einen Einblick in die Prozesse und quantenphysikalischen Effekte, die die Eigenschaften der Materialien bestimmen. Ein tieferes Verständnis dieser Prozesse ist der Schlüssel, um neue Ideen zu entwickeln und systematisch zu testen.

Energieforschung an Großgeräten

Mithilfe der Neutronenquelle BER II am Standort Wannsee erhalten Forscher Einblicke in atomare Prozesse innerhalb von Materialien. Am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II steht eine Vielzahl mikroskopischer und spektroskopischer Methoden zur Verfügung. Hier lässt sich untersuchen, wie sich kristalline Schichten und Grenzflächen ausbilden und welchen Einfluss die atomare oder molekulare Struktur auf die elektronischen Eigenschaften des Materials ausübt. Beide Großgeräte werden ständig weiterentwickelt und gelten als weltweit führend auf ihrem Gebiet.

Exzellente Grundlagenforschung erfordert langen Atem, schafft aber auch die Voraussetzung, dass die Quelle für echte Innovationen nicht versiegt. Mit den beiden Großgeräten BER II und BESSY II haben wir hervorragende Werkzeuge zur Hand. Mit ihnen können wir untersuchen, wie sich Solarenergie durch komplexe Materialien nutzen lässt. Dabei umfasst das Spektrum der HZB-Forschung sowohl Grundlagenforschung als auch vielfältige anwendungsrelevante Fragen, die wir als Partner für die Industrie im Rahmen des Kompetenzzentrums PVcomB vorantreiben.

Die Sonne strahlt rund 10.000 mal mehr Energie auf die Erde als die Menschheit aktuell verbraucht.


Tiefe Einblicke in die Materie

Für die Energieforschung sind besonders einige Techniken der Neutronenstreuung und -radiographie geeignet. So kann man mit der bildgebenden Neutronentomografie massiv gebaute Brennstoffzellen im laufenden Betrieb untersuchen und dabei beobachten, wie sich das entstehende Wasser in der Brennstoffzelle verteilt und abfließt. Solche Einblicke helfen, die Effizienz von Brennstoffzellen weiter zu verbessern.

Halbleitermaterialien, wie sie für Dünnschichtsolarzellen verwendet werden, können an hochauflösenden Pulver-Diffraktometern mithilfe der Neutronenbeugung untersucht werden. Theoretische Überlegungen hatten gezeigt, dass winzige Störungen im kristallinen Aufbau, so genannte Punktdefekte, die elektronischen Eigenschaften einer Dünnschichtzelle kaum beeinträchtigen. Doch detaillierte Analysen zur Konzentration von Punktdefekten in kupferhaltigen Dünnschichtsolarzellen, so genannten Chalkopyriten, gab es bislang nicht. Hier offenbarte die Neutronenbeugung, dass in den untersuchten Materialien Kupfer-Fehlstellen in hoher Konzentration vorhanden waren: Auf zahlreichen Plätzen im Kristallgitter, wo ein Kupferatom sitzen müsste, fehlte dieses. Dass solche Solarzellen trotz vieler Fehlstellen gut funktionieren, erscheint verwunderlich, ist aber für die Fertigung der Zellen sehr beruhigend.

Neutronen bringen Licht ins dunkel

Ein Dauerbrenner in der Energieforschung ist das Phänomen der Supraleitung. Die heute bekannten Stoffe verlieren erst bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt ihren elektrischen Widerstand und müssen daher mit flüssigem Stickstoff auf minus 196 Grad Celsius gekühlt werden. Könnte man Materialien entwickeln, die Strom bei Zimmertemperatur verlustfrei leiten, wären enorme Einsparungen beim Stromtransport möglich. Mit Neutronenexperimenten am BER II können Forscher neue Theorien zu den entscheidenden Faktoren bei der Supraleitung experimentell prüfen und auf Basis solcher Erkenntnisse künftig noch gezielter neue Materialien mit supraleitenden Eigenschaften entwickeln.

BESSY II – Ein Mikroskop für Raum und Zeit

Der Berliner Elektronenspeicherring BESSY II in Adlershof liefert intensives Synchrotronlicht mit Frequenzen, die von einigen Terahertz über das sichtbare Spektrum bis zu harter Röntgenstrahlung reichen. Damit lassen sich atomare und molekulare Prozesse in organischen und anorganischen Materialien mit räumlichen Auflösungen bis in den Nanometerbereich (ein Milliardstel Meter) untersuchen. Zudem ermöglichen die ultrakurzen Synchrotronlichtpulse Einblicke in die Dynamik sehr schneller Reaktionen im Femtosekundenbereich (10–15 Sekunden), zum Beispiel an den Grenzflächen in neuartigen Dünnschichtsolarzellen.

Das Synchrotronlicht wird von Elektronen erzeugt, die mit nahe-zu Lichtgeschwindigkeit in den Speicherring eingeschossen und dann auf einer Kreisbahn gehalten werden. Dabei strahlen sie tangential Photonenpakete oder Lichtpulse ab. BESSY II ist die führende Synchrotronlichtquelle der dritten Generation mit  Schwerpunkt im weichen Röntgenbereich in Deutschland. Sie zieht jährlich rund 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem In- und Ausland an, die das Großgerät wegen seiner hervorragenden Zuverlässigkeit und Stabilität schätzen. An den über 50 Experimentierplätzen (Beamlines) können die Forscher Wellenlänge, Schwingungsrichtung (Polarisation) und Energie der Photonen einstellen. HZB-Experten entwickeln das Großgerät stetig weiter und haben nun mit dem Top-Up-Modus und einem Fast-Orbit-Feedback optimale Bedingungen für noch empfindlichere Messungen geschaffen.

EMIL: forschen an Energiematerialien

Mit EMIL (Energy Materials In-situ Laboratory Berlin) baut das Helmholtz-Zentrum Berlin zusammen mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein weltweit einzigartiges Labor an BESSY II auf, das ab 2015 neue Möglichkeiten für die Forschung an Energie- und Katalysatormaterialien schafft.

Zentraler Bestandteil von EMIL ist das Solar Energy Materials In-situ Labor am Synchrotron, genannt SISSY. Es hat direkten Zugang zu einem Strahlrohr am Speicherring BESSY II und bietet einzigartige Möglichkeiten für die Röntgenanalytik. Ein großer Vorteil ist, dass die Solarzellen nicht mehr vom Labor zum Messplatz transportiert werden müssen, sondern im so genannten „Clustertool“ direkt vor Ort präpariert und „in system“, also ohne Unterbrechung des Vakuums, untersucht werden. Dies verhindert, dass die Ober- und Grenzflächen mit Luft in Kontakt kommen und verschmutzen.

Es ist auch geplant, solche Untersuchungen direkt während des Filmwachstums durchzuführen, so dass man praktisch „live“ verfolgen kann, wie sich die Schichteigenschaften ausbilden. Für die Analyse stehen erstmals „harte“ und „weiche“ Röntgenstrahlen in einem Labor zur Verfügung. Im Teil-Labor CAT  können katalytische Prozesse untersucht und optimiert werden, die bei der Speicherung von Energie eine Rolle spielen.

ISSIS an BESSY II: Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion mit Sonnenlicht

Die Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop
zeigt eine Absorberschicht, die mit Nanostäbchen
aus Zinkoxid kombiniert wurde. Damit kann die
Solarzelle einen größeren Teil des Sonnenlichts
einfangen.

Am ISSIS-Strahlrohr bei BESSY II arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fritz-Haber-Institut mit HZB-Experten und weiteren Partnern daran, neue Einsichten in die Wirkung von Katalysatoren zu gewinnen. Im Rahmen der vom BMBF geförderten Exzellenzinitiative „Light2Hydrogen“ untersuchen sie neuartige Photokatalysatoren, die aus polymerem Kohlenstoffnitrid und photoaktiven Halbleitern wie Chalkopyriten und Silizium bestehen. Diese Materialsysteme können mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.


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