Perowskit-Solarzellen: Neue BMBF-Nachwuchsgruppe am HZB
Im Projekt COMET-PV will Dr. Artem Musiienko die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen deutlich beschleunigen. Dabei setzt er auf Robotik und KI, um die vielfältigen Variationen in der Materialzusammensetzung von Zinnbasierten Perowskiten zu analysieren. Der Physiker wird am HZB eine Nachwuchsgruppe (Young Investigator Group) aufbauen. © M. Setzpfandt / HZB
Im Projekt COMET-PV will Dr. Artem Musiienko die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen deutlich beschleunigen. Dabei setzt er auf Robotik und KI, um die vielfältigen Variationen in der Materialzusammensetzung von Zinnbasierten Perowskiten zu analysieren. Der Physiker wird am HZB eine Nachwuchsgruppe (Young Investigator Group) aufbauen. Darüber hinaus wird er an der Fakultät Physik der Humboldt-Universität zu Berlin auch Lehrverpflichtungen übernehmen.
Metall-Halogenid-Perowskite sind eine große Materialklasse, die seit einigen Jahren intensiv erforscht wird. Aufgrund ihrer halbleitenden Eigenschaften eignen sie sich für leistungsstarke und preisgünstige Solarzellen, insbesondere auch im Tandem mit Solarzellen aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien. Teams aus dem HZB haben bereits mehrfach Weltrekord-Wirkungsgrade für Tandem-Solarzellen erreicht. Doch der Wettbewerb ist hart und in der Materialklasse der Perowskite gibt es unendlich viele Variationsmöglichkeiten.
Dabei gibt es einige Herausforderungen: So degradieren Perowskite, wenn sie Feuchtigkeit, Hitze und Licht ausgesetzt sind, so dass sie im Außeneinsatz unter realen Bedingungen noch nicht über Jahrzehnte stabil bleiben. Einige Hochleistungs-Perowskite basieren auch auf toxischen oder seltenen Elementen, was Konzepte erfordert, die die Nachhaltigkeit gewährleisten. Mit innovativen Ansätzen für Materialdesign und Grenzflächentechnik und mit Techniken, die den Forschungsprozess beschleunigen, lassen sich diese Herausforderungen angehen.
Hochdurchsatzmessungen mit Robotik
Hier setzt das Projekt von Dr. Artem Musiienko an: Sein Forschungsprojekt, das nun durch das BMBF NanoMatFutur Programm gefördert wird, trägt den Namen COMET-PV. Musiienko wird dafür im Labor einen Messplatz für optoelektronische Hochdurchsatzmessungen (HOME) aufbauen, die mit robotischer Unterstützung und automatischen Datenauswertung durchgeführt werden. Dabei wird sich die Forschung auf die Klasse der zinnbasierten Perowskite konzentrieren. Diese Materialien liegen in der Entwicklung hinter den bleibasierten Perowskiten deutlich zurück. Langfristig ist der Einbau von Zinn in die Perowskitschicht jedoch notwendig, um die Umweltverträglichkeit zu verbessern, größere Stabilität zu erreichen und über neuartige elektronische und optische Eigenschaften auch die Leistung weiter zu steigern.
Beschleunigung um Faktor 100
„Unser Ziel ist es, die Materialforschung insgesamt um den Faktor 100 zu beschleunigen. Dafür entwickeln wir einen neuen robotergestützten Ansatz, der uns auch hilft, im Wettbewerb um neue Rekorde weiter zu bestehen. Konkret wollen wir einen Wirkungsgrad von über 35 % erreichen“, sagt Musiienko. Die robotische Unterstützung ermöglicht es, sehr viele Varianten einer Materialzusammensetzung in kürzester Zeit zu analysieren und ihre Eigenschaften zu messen. Die Daten werden mit Hilfe von Methoden der Künstlicher Intelligenz ausgewertet.
Industriepartner im Boot
Das Projekt ist direkt mit der Industrie verbunden und bezieht Industriepartner aus den Bereichen Chemie, Robotik, Instrumentierung und Solarzellenproduktion ein. Darüber hinaus setzt der Physiker seine Zusammenarbeit mit renommierten internationalen Forschungseinrichtungen im Bereich der Solarenergie fort, darunter NREL (USA), KAUST (Saudi-Arabien), KAUNAS (Litauen), der Universität Oxford (England), der Southeast University in China.
Zum Forscher:
Artem Musiienko hat an der Karls-Universität in Prag, Tschechische Republik, in Physik promoviert. 2021 erhielt er ein Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium, um seine Forschungsprojekte am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) fortzusetzen, wo er sich auf innovative Charakterisierungstechniken, selbstorganisierende Monoschichten (SAMs) und die beschleunigte Entdeckung von Photovoltaik-Materialien konzentrierte. Vor Kurzem wurde er von der Marie Curie Alumni Association (MCAA) für seine Beiträge zu innovativen Charakterisierungstechniken und der Entdeckung von Photovoltaik-Materialien mit dem „Best Innovator Award“ ausgezeichnet.
Zum Projekt:
BMBF-Nachwuchswettbewerb NanoMatFutur Förderprogramm
COMET-PV - Kontaktierungslose Anpassung von Materialien und Grenzflächen im Hochdurchsatzverfahren für eine nachhaltige Tandem-Photovoltaik im Nanomaßstab
Förderlaufzeit: 5 Jahre
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken lokale MagnetfelderEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
- Die Zukunft der Energie: Empfehlungen der Wissenschaft an die PolitikExpert*innen des HZB haben ihr Fachwissen in den hier kurz vorgestellten Positionspapieren eingebracht.
Zu den Themen gehören die Entwicklung innovativer Materialien für eine nachhaltige Energieversorgung und die Kreislaufwirtschaft.
Fachleute aus verschiedenen Bereichen haben gemeinsam Lösungen und Handlungsempfehlungen formuliert. - Neues Material für die effiziente Trennung von Deuterium bei erhöhter TemperaturEin neuartiges poröses Material kann Deuterium bei einer Temperatur von 120 K von Wasserstoff trennen. Dabei übersteigt diese Temperatur den Verflüssigungspunkt von Erdgas deutlich, was großtechnische Anwendungen erleichtert, zum Beispiel für die wirtschaftliche Produktion von Deuterium über die Infrastruktur von Pipelines für Flüssigerdgas (LNG). An der Forschungsarbeit sind Teams aus dem Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST), Korea, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Heinz Maier Leibnitz Zentrum (MLZ) und der Soongsil University, Korea, beteiligt.