Perowskit-Solarzellen: Protokolle für Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit
Perowskit-Materialien für Photovoltaikanwendungen kommen in vielfältigen Farben vor, die ihre jeweiligen optischen Eigenschaften widerspiegeln. Dadurch eignen sie sich hervorragend für die Kombination mit anderen Materialien in Mehrfachsolarzellen. © M. Setzpfandt/HZB
Am HZB haben sich mehrere Labore auf die Herstellung von Perowskit-Materialien spezialisiert und setzen dafür unterschiedliche Verfahren ein. © M. Setzpfandt/HZB
Das HZB betreibt eine Testanlage, um Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu beobachten. © HZB
Zehn Teams am Helmholtz-Zentrum Berlin bauen eine langfristige internationale Allianz auf, um gemeinsam Verfahren zu entwickeln, die die Reproduzierbarkeit von Perowskit-Materialien sicherstellen. Das Projekt TEAM PV wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Solarenergie ist in vielen Teilen der Welt bereits die günstigste Art der Stromerzeugung. Jetzt geht es darum, Solarmodule mit noch höherer Effizienz zu entwickeln, um energiehungrige Sektoren wie Elektromobilität, Stahlproduktion und KI mit Strom zu versorgen. Die wahrscheinlich einzige Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz innerhalb des nächsten Jahrzehnts sind Halogenid-Perowskite, eine neue Materialklasse, die in den letzten zehn Jahren intensiv erforscht wurde. Und während die heute marktbeherrschenden Siliziummodule hauptsächlich in China produziert werden, könnten Produktionsanlagen für Halogenid-Perowskit-Zellen auch in Europa und den USA errichtet werden, wodurch die Lieferketten weniger risikobehaftet wären.
Der Weg vom Labor zur Massenproduktion ist jedoch lang und es gibt noch einige Hürden zu überwinden. „Das zentrale Ziel ist es, die Herstellbarkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit von Perowskit-basierten Technologien zu erhöhen. Wir brauchen dringend gemeinsame Protokolle, um die verschiedenen globalen Entwicklungen bei diesen neuartigen Materialien zuverlässig vergleichen und auch ihre Lebensdauer vorhersagen zu können“, sagt Dr. Siddhartha Garud, der das Projekt TEAM PV am HZB leitet. Im Rahmen dieses Projekts will das HZB gemeinsam mit dem National Renewable Energy Lab NREL, der University of Colorado Boulder und der Humboldt-Universität zu Berlin bewährte Verfahren in der Herstellung und Analyse zusammenführen.
Eine der Hauptfragen ist, wie sich die im Labor ermittelte Stabilität unter realen Bedingungen in der Praxis verhält. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf Methoden des Maschinellen Lernens liegen, um sich in dieser extrem großen Klasse von Materialien und möglichen Anwendungen zu orientieren. Die beteiligten Forschungsgruppen werden eng zusammenarbeiten, um die Herstellung und Analyse von Perowskit-Dünnschichten bis hin zu kompletten Solarmodulen weiterzuentwickeln.
Das BMBF stellt insgesamt 4 Millionen Euro für das TEAM PV-Projekt für Sachmittel, Personal und den Austausch in der Forschungsgemeinschaft zur Verfügung. „Wir wollen eine langfristige Partnerschaft im Bereich der Photovoltaik mit einem nachhaltigen Austausch aufbauen und sie auch zu einem Ausgangspunkt für weitere Kooperationen zwischen der Helmholtz-Gemeinschaft und nationalen Laboren und Spitzenuniversitäten in den USA machen“, sagt Garud.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.