Dr. Amran Al-Ashouri: Doppel für die Energiewende

Der Klimawandel treibt Amran Al-Ashouri um. Als Physiker weiß er, wie dringend und rasch Maßnahmen greifen müssen, damit der Temperaturanstieg weltweit auf 1,5 bis zwei Grad beschränkt bleibt. Privat engagiert sich der 29-jährige Naturwissenschaftler daher beim Verein „climactivity“, um möglichst viele Menschen über wichtige Zusammenhänge beim Klimaschutz aufzuklären.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin erforscht er Möglichkeiten, mit denen man den Wirkungsgrad der für die Energiewende extrem wichtigen Solarzellen deutlich verbessern kann. Und ist dabei außerordentlich erfolgreich: In der Gruppe um Steve Albrecht war er mit seiner Doktorarbeit an zentraler Stelle an der Entwicklung einer Tandem-Solarzelle beteiligt, die 2020 mit einem Wirkungsgrad von mehr als 29 Prozent den Weltrekord in dieser Disziplin nach Berlin geholt hat. Am 28. April 2022 wird Amran Al-Ashouri für diese Arbeit mit dem Helmholtz-Promotionspreis für missionsorientierte Forschung ausgezeichnet.

Selbst schildert der Physiker seine jetzt preisgekrönte Doktorarbeit nüchtern und sehr bescheiden: „Der größte Teil ist schief gegangen“. Es ging ihm also kaum anders als vielen Tausend anderen Menschen, die während ihrer Promotion mehr als einmal frustriert sind, um dann aus diesen Fehlschlägen die entscheidenden Schlüsse zu ziehen, die schließlich doch zum Erfolg führen. Nur ist eine solche Promotion in den seltensten Fällen Teil eines Weltrekords, der die Chancen im Kampf gegen den Klimawandel verbessert.

In diesem Kampf stoßen herkömmliche Silizium-Solarzellen an Grenzen, mehr als rund 24 Prozent Wirkungsgrad sind kaum drin. Zumindest in der Theorie können Tandem-Solarzellen erheblich effizienter sein. Die Silizium-Solarzelle, die vor allem das infrarote Licht der Sonne für die Stromerzeugung nutzt, wird in diesem Tandem mit einem völlig anderen Zell-Typ kombiniert, dessen Perowskit-Absorber das energiereichere sichtbare Licht  verwendet.

Nur gibt es in der Praxis beim Verbinden beider Solarzellen erhebliche Verluste. Diese lassen sich mit einer superdünnen Zwischenschicht aus einer einzigen Molekül-Lage verhindern, vermutete Gastforscher Artiom Magomedov aus Litauen. Obendrein sollte die hauchdünne Schicht sich selbst organisieren, weil jedes einzelne ihrer Moleküle einen Bauplan für den Monolayer enthält. Der erhoffte Erfolg stellte sich jedoch nicht ein, die Effizienz dieser Tandemzellen blieb zunächst schlechter als bei den Spitzenreitern herkömmlicher Solarzellen.

Besser wurden die Zellen erst, als Amran Al-Ashouri gezielt untersuchte, wie der chemische Bauplan der einzelnen Moleküle die Bildung der ultradünnen Schicht beeinflusst. „Je einfacher die Moleküle gebaut sind, umso besser bildet sich der Monolayer“, fasst der Physiker das Ergebnis langer, systematischer Versuche zusammen. Mittlerweile bildet sich der Monolayer mit solchen Molekülen innerhalb von Sekunden auch auf sehr unregelmäßigen Strukturen.

Knackpunkt war das Tempo, mit dem Teilchen, die bei der Trennung der elektrischen Ladungen entstehen, die Perowskit-Solarzelle verlassen. Die negativ geladenen Elektronen machen das in ein paar Milliardstel Sekunden, während die gleichzeitig entstehenden positiv geladenen „Löcher“ dafür bisher hundert- bis tausendmal länger brauchten. Mit dem neuen Molekül-Design sind die Löcher heute dagegen nur noch zehn- bis fünfzigmal langsamer und halten so gleichzeitig die Solarzelle deutlich stabiler. Auch gingen bei herkömmlichen Materialien rund 99 Prozent aller Löcher verloren und produzierten dabei zwar Wärme, aber keinen elektrischen Strom. Mit dem Monolayer sinken diese Verluste dagegen auf ein Hundertstel. „So konnten wir den Wirkungsgrad um zwei bis drei Prozent-Punkte steigern und damit den Weltrekord knacken“, erläutert Amran Al-Ashouri.

Obendrein lassen sich die Entwicklungen am HZB offensichtlich rasch vom winzigen Labor-Maßstab auf die in der Technik nötigen Dimensionen hochschrauben. Bereits in einigen Jahren könnten die Tandem-Zellen also verkauft werden. Kein Wunder, wenn Amran Al-Ashouri jetzt mit dem Helmholtz-Nachwuchspreis ausgezeichnet wird.