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.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.