HZB wirbt EU-Fördermittel für Solarzellenforschung ein
Im EMIL-Teillabor „SISSY“ (Solar Energy Materials In-Situ Spectroscopy at the Synchrotron) können Materialsysteme für die Photovoltaik unter Ultrahochvakuum und mit einer Vielzahl an Methoden untersucht werden. © R.G. Wilks
Marcus Bär und sein Team sind an zwei internationalen Projekten beteiligt, die durch das EU-Forschungsrahmenprogramm „Horizon 2020“ gefördert werden. Beide Forschungsvorhaben befassen sich mit der Entwicklung und Optimierung von hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Chalkopyriten („Sharc25“) bzw. Kesteriten („SWInG“). Für das HZB bringen sie zusammen rund 0,9 Mio. Euro zusätzliche Forschungsmittel für die Solarzellenforschung ein.
Die beiden Projekte Sharc25 und SWInG werden in der Sektion Low Carbon Energy gefördert. „Das HZB bringt bei diesen Projekten insbesondere hervorragende Möglichkeiten für die Analyse und Charakterisierung von Materialien und Schichtstapeln ein. So können wir schon bald mit dem Instrumentenpark im neu errichteten Labor EMIL an BESSY II die Grenzflächeneigenschaften von Solarzellstrukturen mit verschiedenen komplementären Methoden untersuchen“, erklärt Prof. Dr. Marcus Bär, der am HZB die Nachwuchsgruppe Grenzflächendesign leitet.
Sharc25 steht für „Super high efficiency Cu(In, Ga)Se2 thin-film solar cells approaching 25%“. Dabei handelt es sich um Konzepte für so genannte CIGSe-Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Angestrebt werden Wirkungsgrade von 25 %, was deutlich über dem Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen liegt. Eine solche Effizienzsteigerung würde der europäischen PV-Industrie einen signifikanten Wettbewerbsvorteil verschaffen. Das Forschungsvorhaben wird durch das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung in Baden-Württemberg (ZSW) koordiniert und bezieht Partner aus sieben Ländern ein. Das Projekt wird mit insgesamt 6,15 Mio. Euro gefördert, davon gehen 450.000 Euro an das HZB. „Wir werden die Eigenschaften der Schichtstapel systematisch untersuchen, um insbesondere die Prozesse an den Grenzflächen zu verstehen. Das ist die Grundvoraussetzung, um die Effizienz bis nahe an ihre theoretische Grenze hochzutreiben“, sagt Marcus Bär.
SWInG (Development of Thin Film Solar Cells based on Wide Band Gap Kesterite Absorbers) hat ein Volumen von 3,8 Mio. Euro und wird von der Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (imec), Belgien) koordiniert, beteiligt sind zudem Partner aus den Niederlanden, Frankreich, Deutschland und Schweden. An das HZB fließen 450.000 Euro. Ziel des Vorhabens ist es, günstige und zuverlässige Tandem-Solarzellen zu entwickeln, die das Potenzial haben, über 30 % des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln. Die dafür benötigten Solarzellabsorber mit großer Bandlücke sollen durch eine Modifizierung der Kesterit-Komposition erreicht werden. „Kesterit-Absorberschichten haben den Vorteil, dass sie aus reichlich verfügbaren Elementen bestehen. Außerdem können wir über die Komposition die Bandlücken gezielt einstellen und diese so optimal an die Anforderungen in der Tandem-Solarzelle anpassen“, erklärt Bär.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.