SISSY – Analyse-Messplatz für die Solarenergieforschung

Was sich anhört wie die Verballhornung des Namens der legendären österreichischen Königin, ist in Wirklichkeit ein Analyse-Messplatz für die Solarenergieforschung im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert den Bau von SISSY am HZB mit 5,7 Millionen Euro. Mit der Förderung aus der Initiative „Innovationsallianz Photovoltaik“ entsteht eine wissenschaftliche und technische Infrastruktur, um Dünnschicht-Solarzellen gezielt weiterzuentwickeln und effizienter zu machen.

Damit Solarstrom konkurrenzfähig wird, müssen Forscher neue Materialkombinationen finden, um die Solarmodule kostengünstig und effizient zu machen. Die zukünftige Generation von Solarzellen besteht bis zu 40 zum Teil nur wenige Nanometer dünnen Schichten, die eingestrahlte Sonnenenergie in elektrische Ladung umwandeln. Die Grenzflächen zwischen diesen Schichten sind nur einige Atomlagen dünn, bestimmen aber im Wesentlichen die chemisch-elektronischen Eigenschaften der Solarzelle. Deshalb stehen sie im Fokus der wissenschaftlichen Analyse – man will dort Stromverluste aufspüren. Dafür werden die Solarzellen mit einem spektroskopischen Verfahren, der Röntgenanalytik, untersucht. Dies war bisher sehr aufwendig. Das für die Röntgenanalytik benötigte intensive Röntgenlicht wird in einem Beschleunigerring erzeugt, und dort sind Messplätze oft Monate im Voraus ausgebucht.

Das Solarzellen In-situ Labor am Synchrotron, genannt SISSY, wir direkt an den Beschleuniger BESSY II angeschlossen und Forschern, als erstes Solarzellenlabor weltweit, täglich exklusiven Zugang zur Röntgenanalytik ermöglichen. Weiterer Vorteil von SISSY: Man muss die Zellen nicht mehr vom Labor zum Messplatz transportieren. Im sogenannten „Clustertool“ präparieren Forscher die Siliziumschichten der Solarzellen direkt vor Ort. Im SISSY-Labor können Forscher die Proben „in situ“, also während des Wachstums, untersuchen oder direkt von der Präparations- in die Analyse-Kammer übergeben. Dabei bleibt das für die Analyse wichtige Vakuum erhalten. Dies ist notwendig, da sich die Ober- und Grenzflächen unter Einfluss von Luft verändern und die Analyse verfälscht wird. Für die Analyse stehen erstmals „harte“ und „weiche“ Röntgenstrahlen in einem Labor zur Verfügung. Über ein ausgeklügeltes System werden die separat erzeugten Strahlen bei SISSY zusammengeführt. „Weiche“ Röntgenstrahlung analysiert genau die Oberflächen. Das energiereichere „harte“ Röntgenlicht dringt auch in tiefere Schichten vor. So können die Forscher die Grenzflächen umfassend untersuchen. SISSY soll außerdem mit einem Röntgen-Photoelektronen-Mikroskop (XPEEM) verbunden werden, das erlaubt, die Eigenschaften der Grenzflächen auf einer Nanometerskala abzubilden.

SISSY soll der Industrie und der weltweiten Forschungsgemeinschaft zur Verfügung stehen mit dem Ziel, die Kosten für photovoltaisch erzeugten Strom und dessen Speicherung deutlich zu senken und den Strom aus der Sonne somit zukunftsfähig zu machen.