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: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.