HZB Newsroom

Anorganische Perowskit-Solarzellen aus CsPbI₃ sind langzeitstabil und erreichen gute Wirkungsgrade. Ein Team um Prof. Antonio Abate hat nun an BESSY II Oberflächen und Grenzflächen von CsPbI₃ -Schichten analysiert, die unter unterschiedlichen Bedingungen produziert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass das Ausglühen in Umgebungsluft die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiterfilms nicht negativ beeinflusst, sondern sogar zu weniger Defekten führt. Dies könnte die Massenanfertigung von anorganischen Perowskit-Solarzellen weiter vereinfachen.

Ein Team am HZB hat an BESSY II eine neue, einfache Methode untersucht, mit der sich stabile radiale magnetische Wirbel in magnetischen Dünnschichten erzeugen lassen.

Ein verbessertes Ladeprotokoll könnte die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verlängern. Das Laden mit hochfrequentem gepulstem Strom verringert Alterungseffekte. Dies zeigte ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm (HZB und Humboldt-Universität) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Aalborg University in Dänemark. Besonders aufschlussreich waren Experimente an der Röntgenquelle BESSY II.

Die Wechselwirkungen zwischen Phosporsäure und dem Platin-Katalysator in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen sind komplexer als bisher angenommen. Röntgen-Experimente an BESSY II in einem mittleren Energiebereich (tender x-rays) haben die vielfältigen Oxidationsprozesse an der Platin-Elektrolyt-Grenzfläche entschlüsselt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle diese Prozesse beeinflusst, so dass sich hier Möglichkeiten bieten, um Lebensdauer und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen. 

Das Problem des Handlungsreisenden gilt als Paradebeispiel für kombinatorische Optimierungsprobleme. Nun zeigt ein Berliner Team um den theoretischen Physiker Prof. Dr. Jens Eisert der Freien Universität Berlin, dass eine bestimmte Klasse solcher Probleme tatsächlich durch Quantencomputer besser und sehr viel schneller gelöst werden kann als mit konventionellen Methoden.

Ende Februar 2024 hat ein Team am HZB einen Artikel in Synchrotron Radiation News (SRN) veröffentlicht. Darin beschreibt es die nächsten Entwicklungsziele für die Röntgenquelle sowie das Upgrade Programm BESSY II+ und die Nachfolgequelle BESSY III.

Hafniumoxid-Dünnschichten sind eine faszinierende Klasse von Materialien mit robusten ferroelektrischen Eigenschaften im Nanometerbereich. Während das ferroelektrische Verhalten ausgiebig untersucht wurde, blieben die Ergebnisse zu den piezoelektrischen Effekten bisher rätselhaft. Eine neue Studie zeigt nun, dass die Piezoelektrizität in ferroelektrischen Hf_0,5Zr_0,5O₂-Dünnschichten durch zyklische elektrische Felder dynamisch verändert werden kann. Ein weiteres bahnbrechendes Ergebnis ist die Möglichkeit einer intrinsischen nicht-piezoelektrischen ferroelektrischen Verbindung. Diese unkonventionellen Eigenschaften von Hafnia bieten neue Optionen für den Einsatz in der Mikroelektronik und Informationstechnologie.

Ein HZB-Physiker hat eine neue Methode entwickelt, um Halbleiter durch einen einzigen Messprozess umfassend zu charakterisieren. Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ basiert auf dem Hall-Effekt und ermöglicht es, 14 verschiedene Parameter von negativen wie positiven Ladungsträgern zu erfassen. An zwölf unterschiedlichen Halbleitermaterialien demonstrierte nun ein großes Team die Tauglichkeit dieser neuen Methode, die sehr viel Arbeit spart. 

Natrium-Ionen-Akkus haben noch eine Reihe von Schwachstellen, die durch die Optimierung von Batteriematerialien behoben werden könnten. Eine Option ist die Dotierung des Kathodenmaterials mit Fremdelementen. Ein Team von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat nun die Auswirkung von einer Dotierung mit Scandium und Magnesium untersucht. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, hatten die Forscher*innen Messdaten an den Röntgenquellen BESSY II, PETRA III und SOLARIS gesammelt und ausgewertet. Sie entdeckten dadurch zwei konkurrierende Mechanismen, die über die Stabilität der Kathoden entscheiden.

Fumarat, Maleat und Succinat sind organische Moleküle, die in der Koordinationschemie und teilweise auch in der Biochemie der Körperzellen eine Rolle spielen. Ein HZB-Team hat diese Moleküle nun an BESSY II mit Hilfe von RIXS und DFT-Simulationen analysiert. Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die elektronischen Strukturen, sondern auch über die relative Stabilität dieser Moleküle. Dies könnte auch der Industrie dabei helfen, die Stabilität von Koordinationspolymeren zu optimieren.

Hochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert. An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.

Ein Team am HZB hat ein neues Messverfahren entwickelt, um winzigste Temperaturdifferenzen im Bereich von 100 Mikrokelvin beim thermischen Hall-Effekt erstmals genau zu erfassen. Aufgrund von thermischem Rauschen konnten solche Temperaturunterschiede bislang nicht quantitativ vermessen werden. Am Beispiel von Terbiumtitanat, dessen Eigenschaften gut bekannt sind, zeigte das Team, dass die Messmethode höchst verlässliche Ergebnisse liefert. Der thermische Hall-Effekt gibt Auskunft über kohärente Vielteilchenzustände in Quantenmaterialien und nutzt dazu ihre Wechselwirkung mit Gitterschwingungen (Phononen).

Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.

Anoden für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser bestehen meist aus Iridium-basierten Materialien. Um die Stabilität des Iridium-Katalysators zu erhöhen, hat nun ein Team am HZB mit einer Gruppe des HI-ERN eine Probe hergestellt, in der die Konzentration von Iridium und Titanoxiden systematisch variiert. Analysen der einzelnen Probensegmente an BESSY II im EMIL-Labor zeigten, dass sich die Stabilität des Iridium-Katalysators signifikant steigern lässt.

Die Highlights 2022 berichten über eine Auswahl der wichtigsten Forschungserfolge und Ereignisse am HZB.

Molybdändisulfid (MoS₂) kann z. B. als Gassensor oder als Photokatalysator bei der grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden. Obwohl man in der Regel mit der Untersuchung der kristallinen Grundform beginnt, um ein Material zu verstehen, gibt es für MoS₂ viel mehr Studien zu ein- und mehrlagigen Molekularschichten als zum massiven Material. Die wenigen Studien, die bisher durchgeführt wurden, zeigen unterschiedliche und nicht reproduzierbare Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften von frisch abgespaltenen MoS₂-Oberflächen. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II systematisch untersucht. 

Es klingt wie Magie: Photoelektroden, die das Treibhausgas CO₂ in Methanol umwandeln oder Stickstoffmoleküle in wertvollen Dünger – und zwar allein mit der Energie des Sonnenlichts. Dass Diamantmaterialien sich dafür eignen, zeigt nun eine Studie aus dem HZB. Durch die Kombination von Röntgen-Spektroskopieverfahren an BESSY II mit weiteren Messmethoden gelang es dem Team um Tristan Petit, erstmals genau zu verfolgen, welche Prozesse an der Oberfläche dieser Materialien durch Licht angeregt werden und worauf es dabei ankommt.

Mit Gefriergussverfahren lassen sich hochporöse und hierarchisch strukturierte Materialien herstellen, die eine große Oberfläche aufweisen. Sie eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen, als Elektroden für Batterien, Katalysatormaterialien oder in der Biomedizin. Nun hat ein Team um Prof. Ulrike G. K. Wegst, Northeastern University, Boston, MA, USA, und Dr. Francisco García Moreno vom Helmholtz-Zentrum Berlin an der Swiss Light Source des Paul-Scherrer-Instituts mit dem neu entwickelten Verfahren der Röntgentomoskopie erstmals in Echtzeit und hoher Auflösung beobachtet, wie der Prozess der Strukturbildung beim Gefriergussverfahren abläuft. Als Modellsystem diente eine Zuckerlösung.

Quantencomputer werden mit zunehmender Größe und Komplexität undurchschaubar. Mit Methoden der mathematischen Physik ist es nun einem Team gelungen, aus zufälligen Datensequenzen konkrete Zahlen abzuleiten, die als Maßstab für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputersystems dienen können. An der Arbeit mit Quantencomputer, die nun in Nature communications veröffentlicht ist, waren Experten des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, des Qusoft Forschungszentrum Amsterdam, der Universität Kopenhagen sowie des Technology Innovation Institute Abu Dhabi beteiligt.

Magnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert nun die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interessanten Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung: Es handelt sich um ferrimagnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionentyp klar zu bestimmen.

In einem Sonderheft zur Liquid-Jet-Methode berichtet ein Team über Reaktionen von Wassermolekülen an den Oberflächen von Metalloxid-Teilchen. Die Ergebnisse sind für die Entwicklung von effizienten Photoelektroden für die Produktion von grünem Wasserstoff relevant. 

Die Röntgenmikroskopie (Kryo-SXT) ermöglicht hochaufgelöste Einblicke in das Innere von Zellen und Zellorganellen – und das in drei Dimensionen. Bisher wurden die 3D-Datensätze zeitaufwändig manuell analysiert. Nun hat ein Team der Freien Universität Berlin einen Algorithmus entwickelt, der auf einem „gefalteten“ neuronalen Netz basiert. Mit Expertinnen und Experten aus der Zellbiologie (FU Berlin) und der Röntgenmikroskopie am Helmholtz Zentrum Berlin wurde dieser Algorithmus nun erstmals zur Analyse von Zellbestandteilen in Kryo-SXT-Datensätzen eingesetzt. Mit der KI-basierten Analysemethode konnte innerhalb weniger Minuten Zellorganellen identifiziert und detailstarke, komplexe 3D-Abbildungen produziert werden.

Metalloxide eignen sich theoretisch ideal als Photoelektroden für die direkte Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. Nun gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin erstmals, die Transporteigenschaften der Ladungsträger in unterschiedlichen Metalloxiden über einen Zeitbereich von neun Größenordnungen zu ermitteln.

Die weltbesten Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle können heute ca. ein Drittel der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Das sind Rekordwerte, insbesondere für eine potentiell sehr preisgünstige Technologie. Ein Team am HZB liefert nun erstmals die wissenschaftlichen Daten und beschreibt in der renommierten Fachzeitschrift Science, wie diese Entwicklung gelungen ist.

Photoelektrolyseure und Elektrolysezellen können grünen Wasserstoff oder fossilfreie Kohlenstoffverbindungen erzeugen – allerdings benötigen sie Ionenaustausch-Membranen. Ein HZB-Team hat nun in einem hybriden Flüssiggas-Elektrolyseur an der Röntgenquelle BESSY II den Transport von Ionen durch die Membran untersucht. Anders als erwartet treiben Konzentrationsunterschiede aber kaum elektrische Felder Ionen an. Die Diffusion ist also der entscheidende Prozess. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung hocheffizienter und deutlich umweltfreundlicherer Membranmaterialien helfen.

Magnetische Domänenwände sorgen für elektrischen Widerstand, da es für Elektronenspins schwierig ist, ihrer magnetischen Struktur zu folgen. Dieses Phänomen könnte in spintronischen Bauelementen genutzt werden, bei denen der elektrische Widerstand je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Domänenwand variieren kann. Eine besonders interessante Materialklasse sind Halbmetalle wie La_2/3Sr_1/3MnO₃ (LSMO). Sie weisen vollständige Spinpolarisation auf. Allerdings war der Widerstand einer einzelnen Domänenwand in Halbmetallen bisher noch nicht bestimmt worden. Nun hat ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland eine einzelne Domänenwand auf einem LSMO-Nanodraht erzeugt und Widerstandsänderungen gemessen, die 20mal größer sind als bei normalen Ferromagneten wie Kobalt.

Ein neues Quasiteilchen mit interessanten Eigenschaften ist aufgetaucht – vorerst allerdings nur in theoretischen Modellierungen von Festkörpern mit bestimmten magnetischen Eigenschaften. Anders als erwartet, bringen Quantenfluktuationen das Quasiteilchen jedoch nicht deutlicher zum Vorschein, sondern verschmieren seine Signatur, zeigt nun ein internationales Team am HZB und der Freien Universität Berlin.

An der Röntgenquelle BESSY II hat ein Team einen Lifshitz-Übergang in TiC entdeckt, der durch eine Beschichtung mit Graphen hervorgerufen wird. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von 2D-Materialien wie Graphen und die Auswirkungen, die sie durch Wechselwirkungen im Nahfeld auf benachbarte Materialien haben.

Im April hat Dr. Jie Wei seine Forschungsarbeit in der Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Nanoskalige Operando CO₂ Photo-Elektrokatalyse" am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft aufgenommen. Wei erhielt eines der hochkompetitiven Humboldt-Postdoktorandenstipendien und wird sein zweijähriges Projekt unter der Leitung der wissenschaftlichen Gastgeber Dr. Christopher Kley und Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya durchführen.

Das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid lässt sich durch Elektrolyse zu nützlichen Kohlenwasserstoffen umwandeln. Das Design der Elektrolysezelle ist dabei entscheidend. Für industrielle Prozesse eignet sich vor allem die so genannte Zero-Gap-Zelle. Doch noch gibt es Probleme: Die Kathoden verstopfen schnell. Nun hat ein Team um Dr. Matthew Mayer am HZB untersucht, woran dies liegt und wie sich dieser unerwünschte Prozess verhindern lässt.

Leichter, flexibler und anpassbar - die Innovationsplattform Solar TAP entwickelt innovative Lösungen für Photovoltaik-Anwendungen. Ziel ist es, bereits genutzte Flächen in Landwirtschaft, Gebäudesektor und Verkehr zusätzlich für den Ausbau der Solarenergie mit Solarzellen aus dem Drucker nutzbar zu machen.

Kakaobohnen können giftige Schwermetalle wie Cadmium aus dem Boden aufnehmen. Einige Anbaugebiete, insbesondere in Südamerika, sind mit diesen Schwermetallen zum Teil erheblich belastet. Durch das Zusammenspiel verschiedener Röntgenfluoreszenz-Techniken konnte nun ein Team an BESSY II erstmals nichtinvasiv messen, wo sich Cadmium in den Kakaobohnen anreichert: Weniger im Inneren der Bohne, sondern vor allem in der Schale. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die Verarbeitung der Kakaobohnen großen Einfluss auf die Schwermetallbelastung haben kann.

Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien das Potenzial für eine wesentlich höhere Energiedichte und mehr Sicherheit. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von Feststoffbatterien derzeit noch unzureichend, was vor allem an sehr langen Ladezeiten liegt - und das, obwohl sie theoretisch eine besonders schnelle Aufladung ermöglichen sollten. Eine neue Studie des HZB zeigt nun, dass die Hauptursache dafür die sehr schleppende Einwanderung von Lithium-Ionen in die Verbundkathode ist.

Mit Sonnenlicht lässt sich grüner Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) direkt aus Wasser erzeugen. Bisher waren Systeme, die auf diesem 'direkten Ansatz' basieren, energetisch nicht wettbewerbsfähig. Die Bilanz ändert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ für erwünschte Reaktionen genutzt wird. Dadurch lassen sich wertvolle Chemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren. Die Zeit für die Energie-Rückgewinnung des direkten Ansatztes mit der PEC-Zelle kann damit drastisch verkürzt werden, zeigt eine neue Studie aus dem HZB.

Solarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI₃-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.

MXene können große Mengen elektrischer Energie speichern und lassen sich dabei sehr schnell auf- und entladen. Damit vereinen MXene die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren und gelten als spannende neue Materialklasse für die Energiespeicherung: Das Material ist wie eine Art Blätterteig aufgebaut, die MXene-Schichten sind durch dünne Wasserfilme getrennt. Ein Team am HZB hat nun an der Röntgenquelle BESSY II untersucht, wie Protonen in diesen Wasserfilmen wandern und den Ladungstransport ermöglichen. Ihre Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und könnten die Optimierung solcher Energiespeichermaterialien beschleunigen.

Eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden. Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.

Ein Team um Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlin) hat Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide an BESSY II untersucht. Diese Materialklasse zählt zu den besten Anoden-Katalysatoren, um elektrolytisch Wasser aufzuspalten und grünen Wasserstoff zu gewinnen. Insbesondere gelang es, die Oxidationsstufen der aktiven Elemente in verschiedenen Konfigurationen zu bestimmen. Die Ergebnisse könnten zur wissensbasierten Entwicklung neuer hocheffizienter und kostengünstiger katalytisch aktiver Materialien beitragen.

Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigt nun ein internationales Team unter der Leitung von Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

Wasser besitzt nicht nur einige bekannte Anomalien, sondern steckt noch immer voller Überraschungen. Die erste Ausgabe 2023 des Bunsen-Magazins widmet sich der molekularen Wasserforschung, vom Ozean bis zu Prozessen bei der Elektrolyse. Das Heft präsentiert Beiträge von Forschenden, die im Rahmen einer europäischen Forschungsinitiative im „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) kooperieren. Ein Team am HZB stellt darin Ergebnisse aus der Synchrotronspektroskopie von Wasser vor. Denn an modernen Röntgenquellen lassen sich molekulare und elektronische Prozesse in Wasser im Detail untersuchen.

Experimentelle Daten sind oft nicht nur hochdimensional, sondern auch verrauscht und voller Artefakte. Das erschwert es, die Daten zu interpretieren. Nun hat ein Team am HZB eine Software konzipiert, die mit Hilfe von selbstlernenden neuronalen Netzwerken die Daten smart komprimiert und im nächsten Schritt eine rauscharme Version rekonstruieren kann. Das ermöglicht Einblicke in Zusammenhänge, die sonst nicht erkennbar wären. Die Software wurde jetzt erfolgreich für die Photonendiagnostik beim Freien Elektronenlaser FLASH bei DESY eingesetzt. Sie eignet sich jedoch für ganz unterschiedliche Anwendungen in der Wissenschaft.

Der aktuelle Weltrekord von Tandemsolarzellen aus einer Silizium-Unterzelle und einer Perowskit-Topzelle liegt wieder beim HZB. Die neue Tandemsolarzelle wandelt 32,5% der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie um. Das Zertifizier-Institut European Solar Test Installation (ESTI) in Italien hat die Tandemzelle vermessen und diesen Wert offiziell bestätigt. Außerdem wurde der Wert in die NREL-Übersicht zu Solarzelltechnologien eingetragen, die vom National Renewable Energy Lab, USA, gepflegt wird.

Nanodiamant-Materialien besitzen Potenzial als preisgünstige Photokatalysatoren. Doch bisher benötigten solche Kohlenstoff-Nanopartikel energiereiches UV-Licht, um aktiv zu werden. Das DIACAT-Konsortium hat daher Variationen von Nanodiamant-Materialien hergestellt und analysiert. Die Arbeit zeigt: Wenn die Oberfläche der Nanopartikel mit ausreichend Wasserstoff-Atomen besetzt ist, reicht auch die schwächere Energie von Licht im sichtbaren Bereich für die Anregung aus. Photokatalysatoren auf Basis von Nanodiamanten könnten in Zukunft mit Sonnenlicht CO₂ oder N₂ in Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umwandeln.

Bislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung mittels Röntgenlicht im „tender“ Energiebereich von 1,5 - 5,0 keV durchzuführen. Dabei eignet sich genau dieses Röntgenlicht ideal, um Energiematerialien für Batterien oder Katalysatoren, aber auch biologische Systeme zu untersuchen. Dieses Problem hat nun ein Team aus dem HZB gelöst: Die neu entwickelten Monochromatoroptiken erhöhen den Photonenfluss im „tender“ Energiebereich um den Faktor 100 und ermöglichen so hochpräzise Messungen nanostrukturierter Systeme. An katalytisch aktiven Nanopartikeln und Mikrochips wurde die Methode erstmals erfolgreich getestet.

Feststoffbatterien ermöglichen noch höhere Energiedichten als Lithium-Ionenbatterien bei hoher Sicherheit. Einem Team um Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke ist es gelungen, eine Feststoffbatterie während des Ladens und Entladens zu beobachten und hochaufgelöste 3D-Bilder zu erstellen. Dabei zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt.

Quantencomputer versprechen erheblich kürzere Rechenzeiten für komplexe Probleme. Aber noch gibt es weltweit nur wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl so genannter Qubits. Quantencomputer-Algorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein HZB-Team hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet. Die Methode eignet sich auch, um größere Moleküle zu untersuchen, die mit konventionellen Methoden nicht mehr berechnet werden können.

Photoelektroden auf der Basis von BiVO₄ gelten als Top-Kandidaten für die solare Wasserstofferzeugung. Doch was passiert eigentlich, wenn sie mit Wassermolekülen in Kontakt kommen? Eine Studie im Journal of the American Chemical Society hat diese entscheidende Frage nun teilweise beantwortet: Überschüssige Elektronen aus dotierten Fremdelementen oder Defekten fördern die Dissoziation von Wasser, was wiederum sogenannte Polaronen an der Oberfläche stabilisiert. Dies zeigen Daten aus Experimenten eines HZB-Teams an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, bessere Photoanoden für die grüne Wasserstoffproduktion zu entwickeln.

Tandem-Solarzellen, die zwei verschiedene Perowskit-Halbleiter kombinieren, versprechen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit sehr geringem Energieaufwand herstellen. Solche Module könnten sogar biegsam sein. Zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung arbeitet Prof. Dr. Steve Albrecht am HZB daran, diese Vision zu realisieren. Seinem Team ist es kürzlich gelungen, eine Vollperowskit-Tandemsolarzelle mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 27.2 % herzustellen. Ein Gespräch über die Chancen und die Herausforderungen der Perowskit-Perowskit-Technologien.

Der Markt für wiederaufladbare Batterien wächst schnell, aber die benötigten Rohstoffe sind begrenzt. Eine Alternative könnten zum Beispiel Natrium-Ionen-Batterien sein. Eine gemeinsame Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat dafür neue Kombinationen von Elektrolytlösungen und Elektrodenmaterialien untersucht.

Ende 2021 hatten drei Teams am HZB Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von knapp 30 Prozent vorgestellt. Dieser Wert hielt acht Monate lang den Weltrekord, eine sehr lange Zeit für dieses heiß umkämpfte Forschungsfeld. In der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology beschreiben die Beteiligten nun, wie sie mit nanooptischen Strukturierungen und Reflexionsbeschichtungen diesen Rekordwert erreicht haben.

Informationen über komplexe magnetische Strukturen sind entscheidend für das Verständnis und die Entwicklung spintronischer Materialien. Jetzt steht bei BESSY II ein neues Instrument namens ALICE II zur Verfügung. Es ermöglicht magnetische Röntgenstreuung im reziproken Raum mit Hilfe eines neuen großflächigen Detektors. Ein Team des HZB und der Technischen Universität München hat die Leistungsfähigkeit von ALICE II demonstriert und helikale und konische magnetische Zustände in einem  Einkristall mit Skyrmionen analysiert. Das neue Instrument steht nun auch Messgästen an BESSY II zur Verfügung.

Hochentrope Legierungen (HEAs) sind vielversprechende Materialien für Katalyse und Energiespeicherung. Gleichzeitig sind sie extrem hart, hitzebeständig und vielseitig in ihrem magnetischen Verhalten. Nun hat ein Team an BESSY II in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum, der BAM, der Freien Universität Berlin und der Universität Lettland neue Erkenntnisse über die lokale Umgebung einer so genannten hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel gewonnen. Damit lassen sich auch die magnetischen Eigenschaften eines nanokristallinen Films dieser Legierung teilweise erklären.

Mit der Elektrokatalyse von Wasser lässt sich elektrische Energie aus Sonne oder Wind zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzen und so speichern. Ein Überblicksbeitrag in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigt, wie moderne Röntgenquellen wie BESSY II die Entwicklung von passenden Elektrokatalysatoren vorantreiben können. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie die aktiven Zustände von katalytisch aktiven Materialien für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bestimmen. Dies ist ein wichtiger Beitrag, um effiziente Katalysatoren aus günstigen und weit verbreiteten Elementen zu entwickeln.

Übergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.

Graphen ist ein äußerst spannendes Material. Nun zeigt eine Graphen-Variante ein weiteres Talent: Rhomboedrischer Graphit aus mehreren, leicht gegeneinander versetzten Schichten könnte die verborgene Physik in Quantenmagneten aufklären.

Die Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) sind eine Materialklasse mit großem Potential für die Spintronik. Eine Studie an BESSY II hat gezeigt, dass in einem dieser Materialien bereits einfach linear polarisiertes Licht ausreicht, um Spins unterschiedlicher Ausrichtung selektiv zu manipulieren. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Weg zur Erzeugung spinpolarisierter Ströme und ist ein Meilenstein für die Entwicklung spintronischer und opto-spintronischer Geräte.

C₆₀-Moleküle auf einem Gold-Substrat wirken komplexer als ihr Vorbild aus Graphen, haben aber viel gewöhnlichere elektronische Eigenschaften. Dies zeigen nun Messungen mit ARPES an BESSY II und ausführliche Berechnungen.

Oxidationsstufen von Übergangsmetallen beschreiben, wie viele Elektronen eines Elements bereits an Bindungen beteiligt sind und wie viele noch für weitere Reaktionen zur Verfügung stehen. Teams aus Berlin und Freiburg haben nun die höchste Oxidationsstufe von Rhodium entdeckt. Dies deutet darauf hin, dass Rhodium mehr Valenzelektronen in chemische Bindungen einbringen kann, als bisher angenommen. Diese Erkenntnis könnte für das Verständnis von katalytischen Reaktionen mit Beteiligung von Rhodium von Bedeutung sein. Das Ergebnis wurde von der Zeitschrift Angewandte Chemie als "Very Important Paper" eingestuft.

Flüssigkeiten sind schwerer zu beschreiben als Gase oder kristalline Feststoffe. Ein HZB-Team hat nun an der Swiss Light Source SLS des Paul Scherrer Instituts, Schweiz, erstmals die Potentialflächen von Wassermolekülen in flüssigem Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen kartiert. Das trägt dazu bei, die Chemie des Wassers und in wässrigen Lösungen besser zu verstehen. Diese Untersuchungen können demnächst an der neu errichteten METRIXS-Station an der Röntgenquelle BESSY II fortgesetzt werden.

Aufgrund seines gigantischen Rashba-Effekts gilt Germaniumtellurid (GeTe) als guter Kandidat für den Einsatz in spintronischen Bauelementen. Nun hat ein Team am HZB ein weiteres faszinierendes Phänomen in GeTe entdeckt. Dafür untersuchten die Forschenden die elektronische Reaktion auf thermische Anregung der Proben. Überraschenderweise verlief die anschließende Relaxation ganz anders als bei herkömmlichen Halbmetallen. Durch die gezielte Steuerung von Details der elektronischen Struktur könnten in dieser Materialklasse neue Funktionalitäten erschlossen werden.  

Hochentropie-Legierungen aus 3d-Metallen haben faszinierende Eigenschaften, die Anwendungen im Energiesektor in Aussicht stellen. Ein internationales Team hat nun lokale Verschiebungen auf atomarer Ebene in einer hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel untersucht. Mit spektroskopischen Analysen an BESSY II und statistischen Simulationen konnten sie das Verständnis dieser Materialgruppe deutlich erweitern.

Mit konventionellen Methoden ist es extrem aufwändig, den spektralen Fingerabdruck von größeren Molekülen zu berechnen. Dies ist aber eine Voraussetzung, um experimentell gewonnene Messdaten korrekt zu interpretieren. Nun hat ein Team am HZB mit selbstlernenden Graphischen Neuronalen Netzen sehr gute Ergebnisse in deutlich kürzerer Zeit erzielt.

Teams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem University College London (UCL) haben zum ersten Mal die Wasserverteilung in einer Brennstoffzelle dreidimensional und in Echtzeit visualisiert. Dafür werteten sie Messdaten aus, die noch an der Neutronenquelle BER II am HZB gewonnen wurden. Die Analyse öffnet neue Möglichkeiten zu effizienteren und damit kostengünstigeren Brennstoffzellen.

Neue energieeffiziente IT-Bauelemente arbeiten häufig nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Daher kommt es entscheidend auf eine sehr gute Wärmeisolierung solcher Elemente an, was die Entwicklung von Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit erfordert. Ein Team am HZB hat nun mit einem neuartigen Sinterverfahren nanoporöse Silizium-Aluminium-Proben hergestellt, in welchen Poren und Nanokristallite den Transport von Wärme behindern und so die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduzieren. Die Forschenden haben ein Modell für die Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit entwickelt, das anhand von Messdaten zur Mikrostruktur der Proben und deren Wärmeleitfähigkeit bestätigt wurde. Damit liegt erstmals eine Methode für die gezielte Entwicklung von komplexen porösen Materialien mit ultraniedriger Wärmeleitfähigkeit vor.

Magnetische Nanostrukturen sind vielversprechende Werkzeuge für medizinische Anwendungen. Eingebaut in biologische Vehikel, lassen sich diese dann durch externe Magnetfelder an ihren Einsatzort im Körper steuern, wo sie Medikamente freisetzen oder Krebszellen zerstören können. Dazu ist jedoch die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften solcher Nanoteilchen nötig. Bisher konnten solche Informationen nur gemittelt über tausende Nanopartikel gewonnen werden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode entwickelt, um die charakteristischen Parameter jedes einzelnen magnetischen Nanopartikels zu bestimmen.

Das zum 1. Mai neu gegründete HZB-Institut für Elektronische Struktur Dynamik entwickelt experimentelle Techniken und Infrastrukturen, um die Dynamik elementarer mikroskopischer Prozesse in neuartigen Materialsystemen zu untersuchen. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich funktionale Materialien mit besonderen Eigenschaften für nachhaltige Technologien gezielt optimieren.

Ein Team am EPR4Energy-Joint lab von HZB und MPI CEC hat ein neues Verfahren der THz-EPR-Spektroskopie entwickelt, um die katalytische Aktivierung von molekularem Sauerstoff durch Kupferkomplexe zu untersuchen. Die Methode erlaubt Einblicke in bisher nicht zugängliche Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Funktion neuartiger katalytischer und magnetischer Materialien.

Um die besonders günstigen Eigenschaften von Perowskit-Halbleitern für Solarzellen zu erklären, kursieren verschiedene Hypothesen. So sollten Polaronen oder auch ein gigantischer Rashba-Effekt eine große Rolle spielen. Ein Team an BESSY II hat diese Hypothesen nun experimentell widerlegt. Damit grenzen sie die möglichen Ursachen für die Transporteigenschaften weiter ein und ermöglichen bessere Ansätze zur gezielten Optimierung dieser Materialklasse.

Um mit Sonnenlicht Wasser elektrolytisch aufzuspalten, werden Photoelektroden gebraucht. Kostengünstige Metalloxid-Dünnschichten mit hoher elektronischer Qualität eignen sich sehr gut dafür, doch ihre Herstellung ist komplex. Insbesondere lässt sich die Qualität der Metalloxid-Dünnschichten nur durch eine thermische Behandlung bei sehr hohen Temperaturen verbessern. Dabei würde jedoch das darunter liegende leitfähige Glassubstrat schmelzen. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat dieses Dilemma nun gelöst: Ein hochintensiver Lichtpuls heizt die halbleitende Metalloxid-Dünnschicht blitzschnell direkt auf, ohne das Substrat zu beschädigen.

Ein Team am HZB hat eine Methode entwickelt, um tautomere Gemische zu untersuchen. Mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS) an BESSY II lassen sich nicht nur die Anteile der jeweiligen Tautomere exakt bestimmen, sondern auch die Eigenschaften jedes Tautomers. Damit liefert die Methode auch detaillierte Informationen über ihre biologische Funktion. In der Studie wurde die Technik auf das Keto-Enol-Gleichgewicht angewendet, das bei vielen biologischen Prozessen eine Rolle spielt. Auf dem Titelblatt weist das "The Journal of Physical Chemistry Letters" auf die Arbeit hin.

Sonderforschungsbereiche ermöglichen es vor allem den Universitäten, eigene Forschungskapazitäten bis auf internationales Spitzenniveau aufzubauen. Im Transregio-Sonderforschungsbereich 227 Ultrafast Spin Dynamic haben die Freie Universität Berlin und die Universität in Halle-Wittenberg auch das HZB als Partner eingebunden. Dabei nimmt die Slicing-Facility von BESSY II eine zentrale Rolle ein. Mit hervorragenden Ergebnissen aus der ersten Phase hat der Transregio-SFB 227 seine erste Zwischenbegutachtung abgeschlossen und bereitet sich nun auf die kommenden Herausforderungen vor. Ein Gespräch mit den beiden HZB-Physikern Niko Pontius und Christian Schüssler-Langeheine über die Bedeutung von solchen Förderprogrammen für das Forschungsgebiet.

Viele unterschiedliche Halbleitermaterialien kommen für Solarzellen in Frage. In den letzten Jahren haben insbesondere die Perowskit-Halbleiter Aufsehen erregt, die sowohl preiswert als auch leicht zu verarbeiten sind und hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Nun zeigt eine Studie mit 15 Forschungseinrichtungen, wie sich mit Terahertz- (TRTS) und Mikrowellen-Spektroskopie (TRMC) zuverlässig Mobilität und Lebensdauer der Ladungsträger ermitteln lassen. Aus diesen Messdaten ist es möglich, den potenziellen Wirkungsgrad der Solarzelle vorherzusagen und die Verluste in der fertigen Zelle einzuordnen.  

Die Massenfertigung von Silizium-Solarzellen nutzt so genannte PERC-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom HZB und dem Institut für Solarenergie-Forschung in Hameln (ISFH) gezeigt, dass solche Standard-Silizium-Zellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskit-Topzellen geeignet sind. Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandemzelle zwar noch unterhalb dem von optimierten PERC-Zellen allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 % gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Lithium-Schwefel-Akkus (Li/S) haben deutlich höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus, altern allerdings sehr rasch. Nun hat ein Team am HZB erstmals Li/S-Akkus im industrierelevanten Pouchzellen-Format mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. An der Studie waren auch Teams der TU Dresden sowie des Fraunhofer-IWS beteiligt. Mit einer eigens entwickelten Messzelle können Impedanz, Temperatur, und Druck zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst und mit radiographischen Aufnahmen kombiniert werden. Die Auswertung zeigt, wie sich der Elektrolyt auf die Bildung von unerwünschten Schwefelpartikeln und Polysulfiden auswirkt. Die Studie ist im renommierten Fachjournal Advanced Energy Materials publiziert.

Grüner Wasserstoff benötigt hocheffiziente (Elektro-)Katalysatoren. Auch für die chemische Industrie, die Düngemittelproduktion und andere Wirtschaftszweige sind Katalysatoren unerlässlich. Neben den Übergangsmetallen sind inzwischen eine Vielzahl anderer metallischer oder nichtmetallischer Elemente in den Fokus der Forschung gerückt. In einem Übersichtsartikel geben Experten des CatLab am HZB und der Technischen Universität Berlin einen Überblick über den aktuellen Wissensstand und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsfragen.

Eine wissenschaftliche Fragestellung in ein Produkt zu verwandeln, das ist die Anforderung, die die Gewinner des HZB Technologietransferpreises erfüllen sollten. Das Team um Tobias Henschel, Bernd Stannowski und Sebastian Neubert hat dabei mehr als nur einen Preis gewonnen.

Mit einem Tintenstrahldruckverfahren haben Teams aus dem Innovation Lab HySPRINT am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) Photodetektoren auf Basis von hybriden Perowskit-Halbleitern produziert. Durch gezieltes Abmischen von nur drei „Tinten“ konnten sie die Eigenschaften des Halbleiters während des Druckvorgangs präzise einstellen. Der Tintenstrahldruck ist in der Industrie eine etablierte Herstellungsmethode, die eine schnelle und kostengünstige Verarbeitung von Lösungen ermöglicht. Die Ausweitung von der großflächigen Beschichtung auf die kombinatorische Materialsynthese eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung verschiedener elektronischer Komponenten in einem einzigen Druckschritt.

Aus mehr als 15 000 Fachveröffentlichungen hat ein internationales Expertenteam Daten zu Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen gesammelt und eine Datenbank dafür entwickelt. Die Datenbank mit ihren Visualisierungsoptionen und Analysetools ist Open Source und soll den Überblick über rasch anwachsenden Wissensstand sowie die offenen Fragen in dieser spannenden Materialklasse ermöglichen. Die Studie wurde von der HZB-Wissenschaftlerin Dr. Eva Unger initiiert und von Ihrem Postdoc Jesper Jacobsson umgesetzt und koordiniert.

Ein internationales Team hat eine Kopplung zwischen zwei supraleitenden Regionen nachgewiesen, die durch ein ferromagnetisches Material von einem Mikrometer Breite getrennt sind. Dieser makroskopische Quanteneffekt ist als Josephson-Effekt bekannt und erzeugt einen Strom aus supraleitenden Cooper-Paaren innerhalb der ferromagnetischen Region. Messungen an BESSY II zeigten, dass der Spin der Cooper-Elektronen gleich ist. Die Ergebnisse weisen den Weg für supraleitende spintronische Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf, bei denen spinpolarisierte Ströme durch Quantenkohärenz geschützt sind.

Anhand von Messdaten an der britischen Neutronenquelle ISIS aus dem Jahr 2000 haben Forschungsteams nun einen Beleg für die geisterhafte Fernwirkung entdeckt, mit der magnetische Teilchen oder Spins in einem Quantenmaterial miteinander verschränkt sind. An der Auswertung war auch ein Team des HZB unter Leitung von Prof. Bella Lake beteiligt.

Drei HZB-Teams unter der Leitung von Prof. Christiane Becker, Prof. Bernd Stannowski und Prof. Steve Albrecht haben es gemeinsam geschafft, den Wirkungsgrad von komplett in-house hergestellten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf den neuen Rekordwert von 29,80 % zu steigern. Der Wert ist nun offiziell zertifiziert und in den NREL-Charts verzeichnet. Damit rückt die 30-Prozent-Marke in greifbare Nähe.

Dr. Antonio Abate untersucht Perowskit-Halbleiter für preisgünstige und hocheffiziente Solarzellen und leitet am Helmholtz-Zentrum Berlin eine große Forschungsgruppe. Nun erhält er eine W2-Professur im Fachbereich Chemie an der Universität Bielefeld.

Einem internationalen Team ist es an der Vektormagnetanlage VEKMAG an BESSY II gelungen, eine ungewöhnliche ferromagnetische Eigenschaft in einem zweidimensionalen Material nachzuweisen: eine sogenannte Anisotropie der leichten Ebene („easy-plane“). Die Ergebnisse könnten die Entwicklung von energieeffizienten Informationstechnologien weiter beflügeln und sind nun im renommierten Fachmagazin Science veröffentlicht.

Magnetische Festkörper können mit einem kurzen Laserpuls schnell entmagnetisiert werden. Nach diesem Prinzip funktionieren die so genannten HAMR-Speicher (Heat Assisted Magnetic Recording), die bereits auf dem Markt sind. Die mikroskopischen Mechanismen der ultraschnellen Entmagnetisierung sind allerdings noch nicht vollständig geklärt. Ein HZB-Team hat an BESSY II eine Methode entwickelt, um einen dieser mikroskopischen Mechanismen quantitativ zu erfassen. Damit konnten sie nun das Element Gadolinium untersuchen, dessen magnetische Eigenschaften durch Elektronen sowohl auf der 4f- als auch auf der 5d-Schale verursacht werden. Diese Studie vervollständigt eine Reihe von Experimenten, die das Team an Nickel und Eisen-Nickel-Legierungen durchgeführt hat. Das Verständnis dieser Mechanismen ist für die Entwicklung ultraschneller Datenspeicher nützlich.

Annette Pietzsch hat viele Jobs: Die Physikerin entwickelt Instrumente für BESSY II, mit denen Forschende beobachten können, wie Moleküle miteinander reagieren. Am liebsten steht sie selbst am Instrument und forscht. Deshalb ist sie vor zehn Jahren aus Schweden ans HZB gekommen.

Ein Team am HZB und der Charles Universität in Prag hat untersucht, wie in den so genannten MAPI-Perowskit-Halbleitern Ladungsträger mit unterschiedlichen Defekten wechselwirken. Die Studie zeigt, dass ein großer Teil der Defekte eingefangene Ladungsträger schnell wieder freigibt. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern.

Was geschieht mit ferroelektrischen Werkstoffen, wenn ihre Dimensionen stark verkleinert werden? Ein Forscherteam am HZB konnte nun zeigen, wie sich diese Frage detailliert beantworten lässt.

Seit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer. Inzwischen haben Ringbeschleuniger mit Umfängen von vielen Kilometern eine praktische Grenze erreicht. Auch Linearbeschleuniger im GHz-Bereich erfordern sehr große Baulängen. Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“, die auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield) basieren. Solche kompakten Teilchenbeschleuniger wären insbesondere für künftige beschleunigergetriebene Lichtquellen interessant, werden aber auch für die Hochenergiephysik untersucht. Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat eine Methode entwickelt, um den Querschnitt der so beschleunigten Elektronenpakete präzise zu vermessen.  Dadurch rücken Anwendungen dieser neuen Beschleunigertechnologien für Medizin und Forschung näher.

Tomoskopie heißt die bildgebende Methode, in der in rascher Abfolge dreidimensionale Bilder aus dem Innern von Materialien errechnet werden. Nun hat ein Team um den HZB-Physiker Francisco García Moreno an der TOMCAT-Beamline der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul-Scherrer-Institut einen neuen Weltrekord erreicht: Mit 1000 Tomogrammen pro Sekunde ist es nun möglich, sehr schnelle Prozesse und Entwicklungen in Materialien auf der Mikrometerskala zerstörungsfrei zu dokumentieren, etwa das Abbrennen einer Wunderkerze oder das Aufschäumen einer Metall-Legierung für die Herstellung von stabilen Leichtbaumaterialien. 

Grenzflächen in Halbleiter-Bauelementen oder Solarzellen spielen für ihre Funktionalität eine entscheidende Rolle. Dennoch war es bislang oft schwierig, mit spektroskopischen Verfahren angrenzende Dünnschichten getrennt zu untersuchen. Ein HZB-Team hat an BESSY II zwei verschiedene spektroskopische Methoden kombiniert und an einem Modellsystem demonstriert, wie gut die Unterscheidung damit gelingt.

Quanteneffekte machen sich vor allem bei extrem tiefen Temperaturen bemerkbar, was ihren Nutzen für technische Anwendungen einschränkt. Dünnschichten aus MnSb₂Te₄ zeigen jedoch neue Talente, weil sie zu einem kleinen Überschuss an Mangan neigen. Offenbar sorgt die entstehende Unordnung für spektakuläre Eigenschaften: Das Material erweist sich als Topologischer Isolator und ist ferromagnetisch bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen von 50 Kelvin, zeigen Messungen an BESSY II.  Damit kommt diese Materialklasse für Quantenbits in Frage, aber auch generell für die Spintronik oder Anwendungen in der Hochpräzisions-Metrologie.

Winzige Strukturen im Inneren von Lithium-Batterien können die Lebensdauer der Energiespeicher stark einschränken. Den Prozess dahinter hat nun ein Forscherteam vom HZB genauer untersucht. Ihre Ergebnisse liefern Ansatzpunkte für langlebigere und sicherere Lithium-Batterien.

Synchrotronlichtquellen liefern brillantes Licht mit dem Fokus auf Röntgenstrahlung und haben unsere Fähigkeiten der Charakterisierung von Materialien enorm erweitert. In den Reviews of Modern Physics gibt ein internationales Team nun einen Überblick über elastische und inelastische Röntgenstreuprozesse, erläutert den theoretischen Unterbau und beleuchtet, welche Einblicke diese Methoden in physikalische, chemische, bio- und energie-relevante Themen eröffnen.

Kristallines Kobalt-Arsenid ist ein Katalysator für die Sauerstoffentwicklung bei der elektrolytischen Wasserspaltung für die Erzeugung von Wasserstoff. Das Material gilt als Modellsystem für eine interessante Gruppe von Katalysatoren, deren Leistungen sich im Lauf der Elektrolyse unter bestimmten Bedingungen steigern. Nun hat ein Team um Marcel Risch an BESSY II aufgeklärt, dass zwei gegenläufige Entwicklungen dafür verantwortlich sind. Einerseits nimmt die katalytische Aktivität der einzelnen Katalysezentren im Verlauf der Elektrolyse ab, aber gleichzeitig verändert sich auch die Morphologie der Katalysatorschicht. Unter günstigen Bedingungen kommen dadurch wesentlich mehr Katalysezentren in Kontakt mit dem Elektrolyten, so dass die Leistungsfähigkeit des Katalysators insgesamt steigen kann.

Ein internationales Team hat in einem Nickel-Oxid-Material beim Abkühlen einen erstaunlichen Effekt beobachtet: Statt einzufrieren, nehmen bestimmte Fluktuationen mit sinkender Temperatur sogar zu. Nickel-Oxid ist ein Modellsystem, das strukturell den Hochtemperatur-Supraleitern ähnelt. Das Experiment zeigt wieder einmal, dass das Verhalten dieser Materialklasse immer Überraschungen bereithält.

Reines Wasser ist unter Normalbedingungen ein nahezu perfekter Isolator. Metallische Eigenschaften entwickelt Wasser nur unter extremem Druck, wie er höchstens im Innern von großen Planeten herrscht. Nun hat eine internationale Kooperation mit einem ganz anderen Ansatz metallisches Wasser erzeugt und den Phasenübergang an BESSY II dokumentiert. Die Arbeit ist in Nature publiziert.

Zinnhalogenid-Perowskite gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Analogen, sind jedoch im Vergleich zu diesen noch deutlich weniger effizient und stabil. Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate aus dem HZB die chemischen Prozesse in der Perowskit-Vorläuferlösung und deren Fluoridchemie eingehend analysiert. Durch eine raffinierte Kombination von Messmethoden an BESSY II mit Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass Fluorid die Oxidation von Zinn verhindert, was zu einer homogeneren Filmbildung mit weniger Defekten führt und die Qualität der Halbleiterschicht erhöht.

Ein Team um den HZB-Physiker Dr. Jaime Sánchez-Barriga hat neue Einblicke in die ultraschnelle Anregung und Reaktion von Toplogischen Zuständen der Materie  auf Femtosekunden-Laseranregung gewonnen. Mit zeit- und spinaufgelösten Methoden untersuchten die Physiker an BESSY II, wie das komplexe Wechselspiel im Verhalten angeregter Elektronen im Volumen und an der Oberfläche nach optischer Anregung zu einer ungewöhnlichen Spindynamik führt. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu spintronischen Bauelementen auf Basis topologischer Materialien für die ultraschnelle Informationsverarbeitung.

Wie sich am Südpol mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen lässt und welche Methode dafür am meisten verspricht, hat nun ein Team vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe, der Universität Ulm und der Universität Heidelberg untersucht. Ihr Fazit: In extrem kalten Regionen kann es deutlich effizienter sein, die PV-Module direkt am Elektrolyseur anzubringen, also thermisch zu koppeln. Denn die Abwärme aus den PV-Modulen steigert die Effizienz der Elektrolyse. Die Ergebnisse dieser Studie, die nun in Energy & Environmental Science publiziert wurde, sind auch für andere kalte Regionen der Erde interessant, zum Beispiel Alaska, Kanada, oder Hochgebirgsregionen. Dort könnte grüner Wasserstoff fossile Brennstoffe wie Erdöl und Benzin ersetzen.

Eine Information des Komitees für Forschung mit Synchrotronstrahlung (KFS)

Synchrotrons wurden ursprünglich von Physikern gebaut, um Teilchen zu erforschen. Heute werden sie auch gegen COVID-19 eingesetzt. Die Projekte sind so vielfältig wie die Nutzerschaft: Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen wie BioNTech.

Mit der Methode der Kleinwinkelstreuung an der PTB-Röntgen-Beamline von BESSY II konnte ein HZB-Team experimentell die kolloidale Chemie von Perowskit-Vorläuferlösungen für Solarzellen untersuchen. Die Ergebnisse sind hilfreich, um Herstellungsverfahren und Qualität dieser spannenden Halbleitermaterialien gezielt und systematisch zu optimieren.

Wie sich die Kommunikation zwischen zwei Quantenpunkten mit Licht beeinflussen lässt, hat nun eine Gruppe am HZB theoretisch ausgearbeitet.  Dabei zeigt das Team um Annika Bande auch Wege, um den Informations- bzw. Energieübertrag von einem Quantenpunkt zum anderen zu kontrollieren und zu speichern. Zu diesem Zweck berechneten die Forschenden die Elektronenstruktur von jeweils zwei so genannten Nanokristallen, die als Quantenpunkte fungieren. Mit den Ergebnissen lässt sich die Bewegung von Elektronen in Quantenpunkten in Echtzeit simulieren.

Ab Juni 2021 baut Dr. Renske van der Veen am HZB eine neue Forschungsgruppe auf. Die Chemikerin ist Expertin für zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie und Elektronenmikroskopie und untersucht katalytische Prozesse, die die Umwandlung von Solarenergie in chemische Energie ermöglichen.

Auf der Basis von Röntgenmessungen an Methylammonium-Perowskit-Halbleitern hat ein HZB-Team nun gezeigt, welche Rolle Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Materialien spielen. Außerdem fand die Forschungsgruppe, dass Strahlenschäden durch weiche Röntgenstrahlung bei dieser empfindlichen Materialklasse noch schneller auftreten als erwartet. Beide Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für die Perowskit-Materialforschung für Solarzellen.

Batterieelektroden, Gas-Speicher und einige heterogene Katalysatormaterialien besitzen winzige Poren, die Raum für Atome, Ionen oder Moleküle bieten. Wie genau diese "Gäste" in die Poren einwandern, ist entscheidend für die Funktion solcher Energiematerialien, lässt sich aber meist nur indirekt beobachten. Nun hat ein Team mit dem HZB-ASAXS Instrument an der PTB Röntgen-Beamline von BESSY II mithilfe zweier Röntgenmethoden den Prozess der Einlagerung von Atomen in ein nanoporöses Modellsystem direkt beobachtet. Die Arbeit legt Grundlagen für neue Einblicke in Energiematerialien.

Metalloxide wie Rost eignen sich als Photoelektroden, um „grünen“ Wasserstoff mit Sonnenlicht zu erzeugen. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung an diesem preisgünstigen Material sind die Fortschritte begrenzt. Ein Team am HZB hat nun gemeinsam mit Partnern von der Ben-Gurion-Universität und dem Technion, Israel, die optoelektronischen Eigenschaften von Rost (Hämatit) und anderen Metalloxiden in bisher nicht gekanntem Detail analysiert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der maximal erreichbare Wirkungsgrad von Hämatit-Elektroden deutlich geringer ist als bisher angenommen. Die Studie gibt darüber hinaus konkrete Hinweise, wie sich neue Materialien für Photoelektroden realistischer bewerten lassen.

An der hochbrillanten Röntgenlichtquelle PETRA III von DESY hat ein Team aus über 30 Forschungseinrichtungen mehrere Kandidaten für Wirkstoffe gegen das Coronavirus SARS-CoV-2 identifiziert. Sie binden an ein wichtiges Protein des Virus und könnten damit die Basis für ein Medikament gegen Covid-19 sein. Das MX-Team aus dem HZB hat dabei einen Teil der Messdaten mit speziellen Analyseprogrammen untersucht, um passende Wirkstoffe zu identifizieren. Die Studie erschien jetzt im renommierten Fachjournal Science.

In der Photovoltaik haben organisch-anorganische Hybrid-Perowskite eine rasante Karriere gemacht. Doch viele Fragen zur kristallinen Struktur dieser überraschend komplexen Materialklasse sind ungeklärt. Nun hat ein Team am HZB mit einer vierdimensionalen Modellierung Strukturdaten von Methylammonium-Bleibromid (MAPbBr₃) interpretiert und dabei inkommensurable Überstrukturen und Modulationen der vorherrschenden Struktur identifiziert. Die Studie ist im ACS Journal of Physical Chemistry Letters publiziert und wurde von den Herausgebern als Editor’s Choice ausgewählt.

Solarzellen aus kristallinem Silizium erreichen Spitzenwirkungsgrade, insbesondere in Verbindung mit selektiven Kontakten aus amorphem Silizium (a-Si:H). Ihre Effizienz wird jedoch durch Verluste in diesen Kontaktschichten begrenzt. Nun hat erstmals ein Team am HZB und der University of Utah, USA, experimentell gezeigt, wie solche Kontaktschichten auf der Nanometerskala Verlustströme generieren und was deren physikalischer Ursprung ist. Mit einem leitfähigen Atom-Kraftmikroskop tasteten sie die Solarzellenoberflächen im Ultrahochvakuum ab, und wiesen winzige, nanometergroße Kanäle für die nachteiligen Dunkelströme nach, die auf Unordnung in der a-Si:H Schicht beruhen.

Dünnschichten aus Molybdän und Schwefel gehören zu einer Klasse von Materialien, die als (Photo)-Katalysatoren infrage kommen. Solche günstigen Katalysatoren werden gebraucht, um mit Sonnenenergie auch den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind sie bislang noch wenig effizient. Ein neues Instrument an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigt nun, wie ein Lichtpuls die Oberflächeneigenschaften der Dünnschicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.

Ein internationales Team hat mit einem aufsehenerregenden Experiment gezeigt, wie vielfältig die Möglichkeiten von Synchrotronlicht-Quellen sind. Beschleunigerexperten des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Tsinghua Universität in Peking haben an der Metrology Light Source der PTB Elektronenpakete mit einem Laser so manipuliert, dass diese intensive Lichtpulse mit einer laserartigen Qualität emittierten. Mit dieser Methode wären spezialisierte Synchrotronstrahlungs-Quellen potenziell in der Lage, eine Lücke im Arsenal verfügbarer Lichtquellen zu füllen und die Voraussetzung für industrielle Anwendungen zu bieten. Die Arbeit wurde am 24. Februar 2021 in der führenden Wissenschaftspublikation „Nature“ veröffentlicht.

Solarzellen, die das Sonnenlicht so effizient wie Silizium in elektrische Energie umwandeln, sich dabei aber einfach und aus kostengünstigen Materialien herstellen lassen – für Materialforscher ist das ein langgehegter Traum. Dem sind Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin nun ein Stück nähergekommen. Sie haben ein Verfahren verbessert, mit dem sich günstige Perowskit-Schichten einfach aus Lösungen auf Trägermaterien aufbringen lassen. Dabei haben sie nicht nur entdeckt, welch entscheidende Rolle eines der verwendeten Lösungsmittel spielt, sondern auch die Lagerfähigkeit der Materialtinten genauer unter die Lupe genommen.

Die elektronische Struktur von komplexen Molekülen und ihre chemische Reaktivität können mit Hilfe der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) an BESSY II untersucht werden. Allerdings erfordert die Auswertung von RIXS-Daten bisher sehr lange Rechenzeiten. Ein Team an BESSY II hat nun ein neues Simulationsverfahren entwickelt, das diese Auswertung stark beschleunigt. Die Ergebnisse können sogar während des Experiments berechnet werden. Messgäste können das Verfahren wie eine Blackbox nutzen.

Photoanoden aus Metalloxiden gelten als praktikable Lösung für die Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. So besitzt α-SnWO₄ optimale elektronische Eigenschaften für die photoelektrochemische Wasserspaltung, korrodiert jedoch rasch. Schutzschichten aus Nickeloxid können die Korrosion verhindern, reduzieren jedoch die Photospannung und damit den Wirkungsgrad. Nun hat ein Team am HZB an der Synchrotronquelle BESSY II untersucht, was an der Grenzfläche zwischen der Photoanode und der Schutzschicht genau passiert. Kombiniert mit theoretischen Methoden deuten die Messdaten darauf hin, dass sich dort eine Oxidschicht bildet, die den Wirkungsgrad der Photoanode beeinträchtigt.

In Synchrotronlichtquellen bringt ein Elektronenbeschleuniger Elektronenpakete auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, damit diese das besondere „Synchrotronlicht“ abgeben können. Ihre enorme Energie und ihre besondere Form erhalten die Elektronenpakete durch ein stehendes elektromagnetisches Wechselfeld in so genannten Kavitäten. Bei hohen Elektronenströmen, wie sie im Projekt bERLinPro gefordert sind, ist die benötigte Leistung für die stabile Anregung dieses Hochfrequenz-Wechselfelds enorm. Das Einkoppeln dieser hohen Leistung gelingt mit speziellen Antennen, so genannten Kopplern und gilt als große wissenschaftlich-technische Herausforderung. Nun zeigt eine erste Messkampagne mit optimierten Kopplern an bERLinPro, dass sich das Ziel erreichen lässt.

In Science berichtet ein HZB-Team, wie es den aktuellen Weltrekord von 29,15 % in einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Perowskit erreichen konnte. Die Tandemzelle zeigt selbst ohne Verkapselung über 300 Stunden eine stabile Leistung. Die Gruppe um Steve Albrecht hat dafür physikalische Prozesse an den Grenzflächen untersucht und gezielt den Ladungsträgertransport verbessert.

Für die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige Photovoltaikmodule werden oft optimierte „Tinten“ verwendet, die eine Mischung von Lösungsmitteln enthalten. Ein HZB-Team hat nun an BESSY II analysiert, wie die Kristallisationsprozesse in solchen Mischungen ablaufen. Mit einem neu entwickelten Modell ist es zudem nun möglich, die Kinetik der Kristallisationsprozesse für verschiedene Lösungsmittelgemische vorab zu bewerten. Dies ist hilfreich für die Produktion von Perowskit-Modulen im industriellen Maßstab.

Forscherinnen und Forscher am HZB haben verschiedene Zusammensetzungen von Cäsium-basierten Halogenidperowskiten (CsPb(Br_xI_1-x)₃ (0 ≤ x ≤ 1)) gedruckt und untersucht. In einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 300 Celsius beobachten sie strukturelle Phasenübergänge, die die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die Studie bietet eine schnelle und einfache Methode zur Bewertung neuer Zusammensetzungen von Perowskitmaterialien, um Kandidaten für Anwendungen in Dünnschichtsolarzellen und optoelektronischen Bauelementen zu identifizieren.

Erstmals hat ein Team am HZB mit Röntgen- und Neutronenstreuung an BESSY II und BER II in amorphem Silizium mit einer Auflösung von 0.8 Nanometern atomare Substrukturen identifiziert. Solche a-Si:H-Dünnschichten werden bereits seit Jahrzehnten in Solarzellen, TFT-Displays und Detektoren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich drei unterschiedliche Phasen innerhalb der amorphen Matrix bilden, die Qualität und Lebensdauer der Halbleiterschicht dramatisch beeinflussen. Die Arbeit wird auf dem Titel der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters hervorgehoben.

Eine gemeinsame Forschungsgruppe um Prof. Jens Eisert von der Freien Universität Berlin und des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat einen Weg aufgezeigt, um die quantenphysikalischen Eigenschaften komplexer Festkörpersysteme zu simulieren. Und zwar mithilfe von komplexen Festkörpersystemen, die experimentell untersucht werden können. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht.

Sonnenenergie kann zur Herstellung von Wasserstoff, einem vielseitigen Brennstoff, genutzt werden. Um dies durch elektrolytische Wasserspaltung zu erreichen, werden hochwertige Photoelektroden benötigt. Leider neigen die bekannten Materialien dazu, während des Prozesses zu korrodieren. Nun hat ein Team am HZB in internationaler Zusammenarbeit die Korrosionsprozesse von hochwertigen BiVO₄-Photoelektroden untersucht. Sie beobachteten die Prozesse "in operando" (bei der elektrolytischen Wasserspaltung) während der Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (OER). Diese Arbeit zeigt, wie die Stabilität von Photoelektroden und Katalysatoren verglichen und so auch verbessert werden kann.

Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnte mit Kryo-Elektronenmikroskopie in einer Probe aus Proteinen regelmäßige, zweidimensionale Strukturen in der Form von Pascal-Dreiecken nachweisen. Die Proben wurden in einem Labor von chinesischen Kooperationspartnern synthetisiert. Die Methode hat Potenzial, um auch Energiematerialien neu zu entdecken.

Solarzellen auf Basis von hybriden Halid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade. Diese gemischt organisch-anorganischen Halbleiter werden in der Regel als dünne Filme aus Mikrokristallen produziert. Eine Untersuchung mit der Laue-Kamera an der Neutronenquelle BER II konnte nun aufklären, dass es beim Auskristallisieren auch bei Raumtemperatur zur Zwillingsbildung kommt. Dieser Einblick ist hilfreich, um Herstellungsverfahren von Halid-Perowskiten zu optimieren. 

Durch Umwandlung von energiearmen in energiereiche Photonen lässt sich der nutzbare Bereich des Lichtspektrums deutlich erweitern. Doch bisher gelang das nur bei hoher Lichtintensität. Durch die Kombination bestimmter Nanopartikel mit einer sogenannten Metaoberfläche konnten Wissenschaftler des HZB und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) den Effekt erstmals auch für relativ schwaches Licht nutzbar machen. Das ebnet den Weg für künftige Anwendungen in der Photovoltaik, zum Nachweis biologischer Substanzen oder als Messfühler für elektrische Felder.

Forscher der Technischen Universität Berlin haben eine neue Familie von Halbleitern geschaffen, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) auf ihre Eigenschaften hin untersucht wurde. Den ersten Vertreter tauften sie auf den Namen TUB75. Das Material gehört zur Klasse der Metallorganischen Frameworks, kurz MOFs. Es könnte neue Perspektiven für die Energiespeicherung eröffnen. Die Arbeit wurde in Advanced Materials publiziert.

Viele Quantenmaterialien lassen sich bislang kaum rechnerisch simulieren, weil die benötigte Rechenzeit zu groß wäre. Nun hat eine gemeinsame Forschergruppe an der Freien Universität Berlin und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) einen Weg aufgezeigt, wie sich die Rechenzeiten deutlich verkürzen lassen. Dies könnte die Entwicklung von Materialien für künftige energieeffiziente IT-Technologie beschleunigen.

Silizium als Werkstoff für Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verspricht eine deutliche Steigerung von deren Kapazität. Das Manko dieses Materials: Durch die Belastung beim Be- und Entladen wird es leicht beschädigt. Wissenschaftlern am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ist es nun zum ersten Mal gelungen, diesen Prozess direkt und detailliert an kristallinen Silizium-Elektroden zu beobachten. Operando-Experimente am Speicherring BESSY II lieferten neue Erkenntnisse darüber, wie Brüche im Silizium entstehen – und wie sich das Material dennoch vorteilhaft einsetzen lässt.

Um die systematische Entwicklung von Medikamenten zu beschleunigen, hat das MX-Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) mit der Drug Design Gruppe der Universität Marburg eine neue Substanzbibliothek aufgebaut. Sie besteht aus 1103 organischen Molekülen, die als Bausteine von neuen Wirkstoffen infrage kommen. Das MX-Team hat diese Bibliothek nun in Kooperation mit der FragMAX-Gruppe am MAX IV validiert. Die Substanzbibliothek des HZB steht weltweit für die Forschung zur Verfügung und spielt auch bei der Suche nach Wirkstoffen gegen SARS-CoV-2 eine Rolle.

Die neueste Generation von magnetischen Festplattenlaufwerken besteht aus magnetischen Dünnschichten, die zu den Invar-Materialien zählen und eine extrem robuste und hohe Datenspeicherdichte ermöglichen. Ein technologisch relevantes Material für solche HAMR-Datenspeicher sind Dünnschichten aus Eisen-Platin-Nanokörnern. Ein internationales Team um die gemeinsame Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matias Bargheer am HZB und der Uni Potsdam hat nun erstmals experimentell beobachtet, wie in diesen Eisen-Platin-Dünnschichten eine besondere Spin-Gitter-Wechselwirkung die Wärmeausdehnung des Kristallgitters aufhebt. Die Arbeit ist in Science Advances publiziert.

Einem Team von Forschern des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es zum ersten Mal gelungen, Leuchtdioden (LEDs) aus einem hybriden Perowskit-Halbleitermaterial per Tintenstrahldruck herzustellen. Das Tor zu einer breiten Anwendung solcher Materialien in vielerlei elektronischen Bauelementen ist damit geöffnet. Der Durchbruch gelang den Wissenschaftlern mithilfe eines Tricks: dem „Impfen“ der Oberfläche mit bestimmen Kristallen.

Ein internationales Team hat erstmals an BESSY II ein raffiniertes Experiment entwickelt, um die Bildung eines metallischen Leitungsbandes in Elektrolyten zu beobachten. Dafür stellten sie kryogene Lösungen aus flüssigem Ammoniak mit verschiedenen Konzentrationen von Alkali-Metallen her und untersuchten den Flüssigkeitsstrahl mit weichem Röntgenlicht. Äußerlich zeigt sich der Übergang von einzelnen Metall-Atomen in Lösung zu einem metallischen Verbund, indem die Farbe der Lösung von blau zu golden wechselt. Diesen Vorgang konnten sie nun durch die Messdaten an BESSY II im Detail analysieren. Die Arbeit ist in Science publiziert und erscheint sogar als Titelgeschichte.

Regenerativ erzeugter Wasserstoff gilt als ökologischer Rohstoff der Zukunft. Um ihn durch Elektrolyse effizient aus Wasser herzustellen, setzt die Forschung heute auch auf Perowskit-Oxide. Das Fachmagazin Journal of Physics: Energy hat Dr. Marcel Risch vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) eingeladen, den aktuellen Stand der Forschung zu skizzieren.

Die besten Perowskit-Solarzellen schaffen zwar enorme Wirkungsgrade, enthalten aber giftiges Blei. Bleifreie Perowskit-Solarzellen erreichten bislang nur geringe Wirkungsgrade, die zudem schnell abnehmen. Eine neue Arbeit einer internationalen Kooperation zeigt nun, wie sich stabile Perowskit-Schichten herstellen lassen, die Zinn anstelle von Blei enthalten. Dabei schützen organische Verbindungen das Zinn vor Oxidation und sorgen für Stabilität.

Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind Kandidaten für den Einsatz in zukünftigen Informationstechnologien. Bisher sind Quanten-Spin-Flüssigkeiten meist nur in ein- oder zweidimensionalen magnetischen Systemen zu finden. Nun hat eine internationale Kooperation unter der Leitung eines HZB-Teams Kristalle aus PbCuTe2O6 mit Neutronenexperimenten untersucht. Sie fanden Spin-Flüssigkeits-Verhalten in drei Dimensionen, bedingt durch ein sogenanntes Hyper-Hyperkagome-Gitter. Die experimentellen Daten passen sehr gut zu theoretischen Simulationen, die am HZB durchgeführt wurden.

Eigens für eine Entwicklung aus dem HZB gibt es nun in der Grafik für Solarzellen-Weltrekorde einen neuen Zweig. Die neue Weltrekord-Zelle besteht aus den Halbleitern Perowskit und CIGS, die zu einer monolithischen „zwei-Terminal“-Tandemzelle verschaltet sind. Aufgrund der verwendeten Dünnschichttechnologien überleben solche Tandemzellen im Weltall deutlich länger und können sogar auf biegsamen Folien produziert werden. Die neue Tandemzelle erreicht einen zertifizierten Wirkungsgrad von 24,16 Prozent.

Vor 90 Jahren postulierte der Physiker Hans Bethe, dass in bestimmten magnetischen Festkörpern ungewöhnliche Muster auftreten. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, solche Bethe-Strings erstmals experimentell nachzuweisen. Sie führten Neutronenstreuexperimente an verschiedenen Neutronenquellen durch, darunter auch Messungen am einzigartigen Hochfeldmagneten des BER II* am HZB. Die experimentellen Daten sind in hervorragender Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage von Bethe und beweisen einmal mehr die Leistungsfähigkeit der Quantenphysik.

Ein Team aus Beschleunigerphysikern, Undulatorexperten und Experimentatoren hat am Speicherring BESSY II gezeigt, wie sich die Händigkeit (Helizität) von zirkular polarisierter Synchrotronstrahlung schneller umschalten lässt – und zwar bis zu einer Million Mal schneller als bisher. Sie nutzten dazu einen am HZB entwickelten elliptischen Doppel-Undulator und betrieben den Speicherring im sogenannten Two-Orbit-Modus. Dies ist eine besondere Betriebsart, die erst vor kurzem an BESSY II entwickelt wurde und die Basis für die schnelle Umschaltung liefert. Der ultraschnelle Wechsel der Lichthelizität ist vor allem für Untersuchungen von Prozessen in magnetischen Materialien interessant und wird schon seit langem von einer großen Nutzergemeinde erwartet.

Eine neue Materialklasse kann elektrische Energie sehr schnell speichern. Es handelt sich um zweidimensionale Titankarbide, so genannte MXene. Wie eine Batterie speichern sie durch elektrochemische Reaktionen große Mengen elektrischer Energie - aber im Gegensatz zu Batterien können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. In Zusammenarbeit mit der Drexel-Universität hat ein Team am HZB gezeigt, dass die Einlagerung von Harnstoffmolekülen zwischen den MXene-Schichten die Kapazität solcher "Pseudokondensatoren" um mehr als 50 Prozent erhöhen kann. An BESSY II haben sie analysiert, welche Veränderungen der MXene-Oberflächenchemie nach der Harnstoffeinlagerung dafür verantwortlich sind.

An einer der drei MX-Beamlines am HZB wurde letzte Woche ein neuer Detektor installiert. Im Vergleich zum alten Detektor ist der neue besser, schneller und empfindlicher. Er ermöglicht es, binnen kürzester Zeit vollständige Datensätze von komplexen Proteinen aufzunehmen.

Nanopartikel dringen leicht in Zellen ein. Wie sie sich dort verteilen und was sie bewirken, zeigen nun erstmals hochaufgelöste 3D-Mikroskopie-Aufnahmen an den Synchrotronlichtquellen BESSY II und ALBA. So reichern sich bestimmte Nanopartikel bevorzugt in bestimmten Organellen der Zelle an. Dadurch kann der Energieumsatz in der Zelle steigen. „Die Zelle sieht aus wie nach einem Marathonlauf, offensichtlich kostet es Energie, solche Nanopartikel aufzunehmen“, sagt Hauptautor James McNally.

Mit einem äußeren Magnetfeld lassen sich normalerweise die winzigen magnetischen Momente in Festkörpern entlang des Außenfeldes ausrichten – so dass die Probe schließlich ferromagnetisch wird. Doch das trifft nicht auf jedes Material zu. Ein Team hat nun Kristalle aus einer Uranverbindung unter extrem hohen Magnetfeldern mit Neutronen untersucht und ein deutlich komplexeres Verhalten beobachtet. Die Experimente fanden am Hochfeldmagneten an der Neutronenquelle BER II des HZB statt, der ein konstantes Magnetfeld von bis zu 26 Tesla erzeugt. Dies ist etwa 500.000mal stärker als das Erdmagnetfeld. Weitere Experimente mit gepulsten Magnetfeldern bis zu 45 Tesla wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt. 

Ein internationales Team hat mit Neutronen- und Röntgen-Tomographie die dynamischen Prozesse untersucht, die an den Elektroden in Lithium-Batterien stattfinden und zu Leistungsabbau führen. Mit einem neuen mathematischen Verfahren gelang es, die zu einer kompakten Rolle aufgewickelten Elektroden „virtuell zu entrollen“ und so tatsächlich zu beobachten, was an den Elektroden geschieht. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Expertinnen und Experten aus 51 Forschungseinrichtungen, darunter auch aus dem HZB, haben sich nun auf die Verfahren geeinigt, um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen zu messen und ihre Qualität zu bewerten. Die Konsenserklärung wurde in Nature Energy publiziert und gilt als Meilenstein für die weitere Entwicklung dieses neuen Solarzellen-Typs auf dem Weg zur industriellen Anwendung.

Im Rennen um immer höhere Wirkungsgrade liegt ein HZB-Entwicklungsteam wieder vorne. Die Gruppen von Steve Albrecht und Bernd Stannowski  haben eine Tandemsolarzelle aus den Halbleitern Perowskit und Silizium entwickelt, die 29,15 Prozent des eingestrahlten Lichts in elektrische Energie umwandelt. Dieser Wert ist offiziell durch das CalLab des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) zertifiziert. Damit ist die Überwindung der 30% Effizienz-Marke in greifbare Nähe gerückt.

Blei aus metall-organischen Perowskitverbindungen wird deutlich stärker von Pflanzen aufgenommen als beispielsweise Blei aus anorganischen Quellen. Dies zeigt eine Studie von HZB-Forscher Antonio Abate mit Partnern aus China und Italien, die in Nature communications veröffentlicht ist.

Neue Experimente an BESSY II mit magnetisch dotierten Topologischen Isolatoren zeigen vielversprechende Möglichkeiten für eine verlustfreie Signalübertragung auf. Ein überraschendes Phänomen der Selbstorganisation hilft dabei. Zukünftig könnte es so möglich sein, Materialien zu entwickeln, die dieses Phänomen bei Raumtemperatur zeigen und sich als Q-Bit Recheneinheiten in einem Quantencomputer einsetzen lassen. Die Arbeit ist im renommierten Wissenschaftsjournal Nature publiziert.

Ein HZB-Team hat durch kristallographische Analysen an der Synchrotronquelle Diamond Light Source (DLS) in Großbritannien erstmals nachgewiesen, dass Hybrid-Perowskite ohne Inversions-Zentren auskristallisieren. Durch Wechselwirkungen zwischen den organischen Molekülen und benachbarten Jod-Atomen können sich so ferroelektrische Domänen bilden, die über weitere Effekte höhere Wirkungsgrade in Solarzellen ermöglichen. In anorganischen Perowskiten kann diese ferroelektrische Domänenbildung nicht stattfinden.

In bestimmten magnetischen Materialien wie Cu₂OSeO₃ entstehen magnetische Wirbel, so genannte Skyrmionen. Diese Skyrmionen lassen sich durch niedrige elektrische Ströme kontrollieren, was eine energiesparende Datenverarbeitung ermöglichen könnte. Nun ist es einem Team gelungen, an der VEKMAG-Station an BESSY II eine neue Technik zu entwickeln, um diese Wirbel präzise zu vermessen und dabei die drei unterschiedlichen Eigenschwingungen zu beobachten.

Ein Team um Prof. Steve Albrecht aus dem HZB stellt auf der weltgrößten internationalen Fachkonferenz EU PVSEC in Marseille am 11. September 2019 einen neuen Weltrekord für eine Tandem-Solarzelle vor. Die Solarzelle kombiniert die Halbleitermaterialien Perowskit und CIGS und erreicht damit einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26 Prozent. Ein Grund für diesen Erfolg liegt in einer Zwischenschicht aus organischen Molekülen, die sich selbstorganisiert so anordnen, dass auch raue Halbleiter-Oberflächen lückenlos bedeckt werden. Dafür wurden zwei Patente eingereicht.

Ein HZB-Team hat erstmals mit Hilfe von Neutronenexperimenten präzise analysiert, wie und wo sich Nanopartikel aus Lithiumsulfid und Schwefel im Lauf der Ladezyklen an den Batterie-Elektroden abscheiden. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus zu erhöhen.

Erstmals hat ein HZB-Team mathematisch exakt formuliert, wie korkenzieherförmige Nano-Antennen mit Licht wechselwirken. Mit dem mathematischen Werkzeug lässt sich die jeweils geeignete Geometrie berechnen, die eine Nano-Antenne für konkrete Anwendungen in der Sensorik oder in der Informationstechnologie besitzen muss.

Mit einem am HZB entwickelten Rotationstisch hat ein internationales Forscher-Team an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz, SLS, einen neuen Rekord erreicht: Mit 208 dreidimensionalen Röntgenaufnahmen (Tomographien) pro Sekunde konnten sie die dynamischen Prozesse beim Aufschäumen von flüssigem Aluminium dokumentieren. Im Fachjournal Nature Communications wird die Methode vorgestellt.

Christiane Becker erhöht mit winzigen Strukturen den Lichteinfang in Solarzellen und arbeitet daran, diese Technologie in die industriellen Umsetzung zu bringen. „Über allem schwebt am HZB dieser Spirit, dass wir an den erneuerbaren Energien der Zukunft mitarbeiten, und das ist ungemein beflügelnd“, erzählt sie im Portrait.

Kunststoffe sind wunderbare Materialien: extrem vielseitig und nahezu ewig haltbar. Doch genau das ist ein Problem, denn nach nur rund 100 Jahren Kunststoffproduktion befinden sich inzwischen Plastik-Partikel überall, im Grundwasser, in den Ozeanen, in der Luft und in der Nahrungskette. 

Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet.

In farbstoffbasierten Solarzellen sorgen Übergangsmetall-Komplexe dafür, dass Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Bisher ging man davon aus, dass innerhalb des Moleküls eine räumliche Ladungstrennung stattfindet. Dass dies eine zu simple Beschreibung des Prozesses ist, zeigt eine Analyse an BESSY II. Erstmals hat dort ein Team die fundamentalen elektronischen Prozesse rund um das Metallatom und seine Liganden untersucht. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie, International Edition“ erschienen und stellt das Titelbild.

Wie schnell kann ein Magnet seine Ausrichtung ändern und was sind die mikroskopischen Mechanismen? Diese Fragen sind für die Entwicklung von Datenspeichern und Computerchips von größter Bedeutung. Jetzt ist es einem HZB-Team am BESSY II erstmals gelungen, den wichtigsten mikroskopischen Prozess des ultraschnellen Magnetismus experimentell zu beobachten. Die zu diesem Zweck entwickelte Methodik kann auch zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Spins und Gitterschwingungen in Graphen, Supraleitern oder anderen (Quanten-)Materialien verwendet werden.

Teams der Humboldt-Universität und am Helmholtz-Zentrum Berlin haben ein neues Material aus der Familie der Kohlenstoffnitride untersucht. Das Triazin-basierte graphitische Kohlenstoffnitrid (TGCN) ist ein Halbleiter, der sich gut für Anwendungen in der Optoelektronik eignen sollte. Die Struktur ist zweidimensional und erinnert an Graphen. Anders als beim Graphen ist die Leitfähigkeit jedoch senkrecht zu den Ebenen 65mal höher als in den Ebenen selbst.

Mehrere Forschungseinrichtungen entwickeln mit dem Industriepartner Bruker eine miniaturisierte EPR-Messvorrichtung, um Halbleitermaterialien, Solarzellen, Katalysatoren und Elektroden für Brennstoffzellen und Batterien zu untersuchen. Das „Lab on a Chip“ wird einen Technologiesprung in der Elektronenspinresonanz (EPR auf Englisch) ermöglichen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt „EPR-on-a-Chip“ mit 6,7 Millionen Euro. Am 3. Juni 2019 fand das Auftakttreffen am Helmholtz-Zentrum Berlin statt.

Kupferoxid könnte in Solarzellen oder als Photokathode für die solare Energieumwandlung theoretisch hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffinierten Femtosekunden-Laserexperiment aufklären, wo diese Verluste stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupferoxid und andere Metalloxide für Anwendungen als Energiematerialien zu optimieren.

Lithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access).

Einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, durch Ko-Verdampfung anorganische Perowskit-Dünnschichten bei moderaten Temperaturen herzustellen – ein Nachtempern bei hohen Temperaturen entfällt. Dadurch lassen sich Dünnschichtsolarzellen aus diesem Material deutlich leichter herstellen. Anorganische Perowskite sind im Gegensatz zu den hybriden metallorganischen Perowskiten thermisch stabiler. Die Arbeit ist im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Bei den Thermoelektrika könnte Zinnselenid die bisherigen Rekordhalter aus Wismuttellurid an Effizienz deutlich übertreffen. Allerdings ist der thermoelektrische Effekt in Zinnselenid nur bei Temperaturen oberhalb von 500 Grad so enorm. Nun zeigen Messungen an den Synchrotronquellen BESSY II und PETRA III, dass sich Zinnselenid auch bei Raumtemperatur als Thermoelektrikum nutzen lässt – sofern man hohen Druck anlegt.

Ein Team der Universität Greifswald und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat an BESSY II die Struktur eines wichtigen Enzyms ("MHETase") entschlüsselt. Die MHETase wurde in einem Bakterium entdeckt und ist in der Lage, zusammen mit einem zweiten Enzym, der PETase, den weit verbreiteten Kunststoff PET in seine Grundbausteine zu zerlegen. Die 3D-Struktur der MHETase ermöglichte es den Forschern bereits, die Aktivität dieses Enzyms gezielt zu optimieren, um es zusammen mit der PETase für das nachhaltige Recycling von PET zu nutzen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Für die Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht werden effiziente und preisgünstige Katalysatoren gebraucht. Molybdänsulfide gelten als gute Kandidaten. Nun hat ein Team am HZB aufgeklärt, welche Prozesse während der Katalyse an  Molybdänsulfiden ablaufen und wieso ausgerechnet amorphes Molydänsulfid am besten funktioniert. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ACS-Catalysis veröffentlicht.

In der jetzt erschienenen Sonderausgabe der „Philosophical Transactions of the Royal Society of London“  berichten international ausgewiesene Experten über neue Entwicklungen bei Röntgenquellen und ultraschnellen zeitaufgelösten Experimenten. Auch HZB-Physiker wurden zu Beiträgen aufgefordert und haben geliefert.

Nanostrukturen aus Kohlenstoff sind äußerst vielseitig: Sie können in Batterien und Superkondensatoren Ionen aufnehmen, Gase speichern oder Wasser entsalzen. Wie gut sie diese Aufgaben meistern, hängt von Größe und Form der Nanoporen ab. Über die Temperatur während der Synthese lassen sich die Nanoporen dabei stark verändern.  Bisher war es nur möglich, Form, Größe sowie die Verteilung der Nanoporen ungefähr abzuschätzen. Eine neue Studie zeigt nun, dass sich solche Informationen direkt und zuverlässig mit Hilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung gewinnen lassen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Carbon veröffentlicht.

Um die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1%  Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.

Ein HZB-Team hat zusammen mit internationalen Partnern an der Lichtquelle BESSY II ein neues Phänomen in Eisen-Nanokörnern auf einem ferroelektrischen Substrat beobachtet: Die magnetischen Momente der Eisenkörner richten sich superferromagnetisch aus, sobald eine elektrische Spannung anliegt. Der Effekt funktioniert bei Raumtemperatur und könnte zu neuen Materialien für IT-Bauelemente und Datenspeicher führen, die weniger Energie verbrauchen.

Ein HZB-Team hat eine Tandem-Solarzelle mit reinen Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit und CIGSe hergestellt und charakterisiert. Dabei setzten sie auf ein einfaches, robustes Produktionsverfahren, das sich auch für die Aufskalierung auf große Flächen eignet. Die Tandem-Solarzelle besitzt einen sehr hohen Wirkungsgrad von 21.6 %. Durch weitere Optimierung könnte sie Wirkungsgrade über 30 % erreichen.

Theoretisch könnten Anoden aus Silizium zehnmal mehr Lithium-Ionen speichern als die Graphit-Anoden, die seit vielen Jahren in kommerziellen Lithium-Batterien eingesetzt werden. Doch bisher sinkt die Kapazität von Silizium-Anoden mit jedem weiteren Lade-Entladezyklen stark ab. Nun hat ein HZB-Team mit Neutronenexperimenten am BER II in Berlin und am Institut Laue-Langevin in Grenoble aufgeklärt, was an der Oberfläche der Siliziumanode während des Aufladens passiert und welche Prozesse die Kapazität reduzieren.

Wenn die CO₂-Emissionen nicht rasch genug sinken, muss künftig CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Nicht nur Aufforstung oder Biomasse, sondern auch neue Technologien für künstliche Photosynthese könnten dazu beitragen. Ein HZB-Physiker und eine Forscherin der Universität Heidelberg haben überschlagen, welche Flächen solche Lösungen benötigen. Die künstliche Photosynthese könnte CO₂ zwar effizienter binden als das natürliche Vorbild, aber noch gibt es keine großen und langzeitstabilen Module. Ihre Berechnungen veröffentlichte das Team in „Earth System Dynamics“.

Ein Team am HZB hat den Herstellungsprozess von Photokathoden optimiert, so dass diese nun hohe  Quanteneffizienz besitzen. Damit stehen geeignete Photokathoden zur Verfügung, um 2019 den ersten Elektronenstrahl in bERLinPro zu erzeugen. 

Ein Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden. Die Studie wurde in Advanced Energy Materials publiziert und ist auf dem Front-Cover des Journals erschienen.

Ein Team hat an BESSY II untersucht, wie unterschiedliche Eisenkomplex-Verbindungen Energie aus eingestrahltem Licht verarbeiten. Dabei konnten sie zeigen, warum bestimmte Verbindungen das Potenzial haben, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Ergebnisse sind für die Entwicklung von organischen Solarzellen interessant. Die Studie wird auf dem Cover der Fachzeitschrift PCCP angekündigt.

Durch mikrostrukturierte Schichten konnte ein HZB-Team den Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf aktuell 25,5 Prozent steigern, dem höchsten Wert, der bis jetzt publiziert werden konnte. Gleichzeitig gelang es mit Hilfe von rechnerischen Simulationen, die Lichtumwandlung in verschiedenen Zelldesigns zu untersuchen. Diese Modellierungen ermöglichen die Optimierung des Lichtmanagements sowie detaillierte Ertragsanalysen. Die Studie wurde nun in Energy & Environmental Science publiziert.

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.  

Frederike Lehmann aus der HZB-Abteilung Struktur und Dynamik von Energiematerialien hat auf einer internationalen Fachkonferenz, der ICTMC-21 in Boulder, Colorado, USA, einen Posterpreis erhalten. Sie stellte ihre Ergebnisse zur Synthese und Charakterisierung von Hybrid-Perowskit-Materialien vor, die als interessante Kandidaten für neuartige Solarzellen gelten.

Diamant-Nanomaterialien gelten als heiße Kandidaten für günstige Photokatalysatoren. Sie lassen sich durch Licht aktivieren und können dann bestimmte Reaktionen zwischen Wasser und CO₂ beschleunigen und klimaneutrale „solare Brennstoffe“ erzeugen. Das EU-Projekt DIACAT hat nun solche Diamant-Materialien mit Bor dotiert und an BESSY II gezeigt, wie dies die photokatalytischen Eigenschaften deutlich verbessern könnte.

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente. Die Ergebnisse sind nun in Nano Letters publiziert.

Mit Hilfe einer neu entwickelten Neutronen-Tomographie-Methode hat ein HZB-Team erstmals den Verlauf von magnetischen Feldlinien im Innern von Materialien abbilden können. Die „Tensorielle Neutronen-Tomographie“ verspricht neue Einblicke in Supraleiter, Batterie-Elektroden und andere Energiematerialien.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist eine ihrer wichtigsten Kenngrößen. Er gibt an, wieviel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die theoretische Grenze für Silizium-Solarzellen liegt aufgrund physikalischer Materialeigenschaften bei 29,3 Prozent. Im Fachjournal Materials Horizons beschreiben Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit internationalen Kollegen, wie diese Grenze aufgehoben werden kann. Der Trick: sie bauen organische Schichten in die Solarzelle ein. Diese wandeln die Energie der hochenergetischen Photonen (grünes und blaues Licht) so um, dass sich die Stromausbeute in diesem Energiebereich verdoppelt.

Photonische Nanostrukturen erhöhen nicht nur die Effizienz von Solarzellen, sondern verbessern auch die Wirksamkeit von optischen Sensoren, die zum Beispiel als Krebsmarker verwendet werden. Mit Computersimulationen und dem Einsatz von maschinellem Lernen hat nun ein Team am HZB gezeigt, wie sich das Design solcher Nanostrukturen gezielt optimieren lässt. Die Ergebnisse sind in Communications Physics publiziert.

Ein Forscherteam aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität Potsdam hat den Wärmetransport in einem Modellsystem aus nanometerdünnen metallischen und magnetischen Schichten untersucht. Ähnliche Systeme sind Kandidaten für künftige hocheffiziente Datenspeicher, die durch Laserpulse lokal erhitzt und neu beschrieben werden können (Heat-Assisted Magnetic Recording). Experimente mit kurzen Röntgenpulsen zeigten nun, dass sich in dem Modellsystem die Wärme hundertmal langsamer als erwartet verteilt. Die Ergebnisse sind in Nature Communications publiziert.

Ein HZB-Team hat an der EDDI-Beamline an BESSY II einen raffinierten Präzisions-Drehtisch entwickelt und mit einer besonderen, schnellen Optik kombiniert. Damit konnten sie die Porenbildung in Metall-Körnern während des Aufschäumens mit 25 Tomographien pro Sekunde dokumentieren – ein Weltrekord.

In Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren. Rekombination an Defekten im Inneren der Perowskit-Schicht begrenzt  dagegen die Leistungsfähigkeit der Zellen gegenwärtig nicht. Diese interessante Einsicht konnten Teams der Universität Potsdam und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)  nun mit quantitativ äußerst genauen Photolumineszenz-Messungen an 1 cm² großen Perowskit-Absorberschichten gewinnen. Ihre Ergebnisse tragen zur gezielten  Verbesserung von Perowskit-Solarzellen bei und sind nun in Nature Energy publiziert.

Einem internationalen Team ist an BESSY II ein Durchbruch gelungen. Erstmals konnten sie elektronische Prozesse an einem Übergangsmetall im Detail  untersuchen und aus den Messdaten zuverlässige Rückschlüsse auf deren katalytische Wirkung  ziehen. Ihre Ergebnisse sind hilfreich, um gezielt katalytische Systeme, in deren Zentren Übergangmetalle stehen, für zukünftige Anwendungen zu entwickeln. Die Arbeit ist nun in Chemical Science, dem Open Access Journal der Royal Society of Chemistry, veröffentlicht.

Einen umfassenden Überblicksbeitrag über bildgebende Verfahren mit Neutronen hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Europäischen Spallationsquelle ESS im renommierten Fachjournal Materials Today (Impaktfaktor 21,6) publiziert.  Die Autoren berichten über die neuesten Entwicklungen in der Neutronentomographie. An Beispielen zeigen sie die Einsatzmöglichkeiten dieser zerstörungsfreien Methode auf. Neutronentomographien haben Durchbrüche in der Zahnmedizin, Kunstgeschichte, Pflanzenphysiologie, Paläobiologie, Batterieforschung oder Werkstoffanalyse ermöglicht.

Durch gezielte Veränderungen der Zusammensetzung von Kesterit-Halbleitern lässt sich ihre Eignung als Absorbermaterial in Solarzellen verbessern. Wie ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin zeigte, gilt dies besonders für Kesterite, in denen Zinn durch Germanium ersetzt wurde. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten die Proben mit Hilfe von Neutronenbeugung am BER II und weiteren Methoden. Die Arbeit wurde für das Titelblatt der Zeitschrift CrystEngComm ausgewählt.

Polymere Kohlenstoffnitride entfalten unter Sonnenlicht eine katalytische Wirkung, die sich für die Produktion von solarem Wasserstoff nutzen lässt. Allerdings ist die Effizienz dieser günstigen, metallfreien Materialien sehr gering. Durch einen einfachen Prozess ist es nun gelungen, ihre katalytische Wirkung um den Faktor elf zu erhöhen. Dies zeigte nun ein Team an der Tianjin-University in China mit einer Gruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Arbeit wurde im Journal Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Einem Team am HZB ist es gelungen, Nanokristalle aus Galliumarsenid auf winzigen Säulen aus Silizium und Germanium aufzuwachsen. Damit lassen sich auf der Basis von Siliziumchips sehr effiziente Bauelemente in für die Optoelektronik interessanten Frequenzbereichen realisieren.

Thermoelektrische Materialien können Wärmeunterschiede zur Stromerzeugung nutzen. Nun gibt es eine preiswerte und umweltfreundliche Lösung, um sie mit einfachsten Zutaten herzustellen: Ein normaler Bleistift, Kopierpapier und ein leitfähiger Kunststofflack reichen aus, um eine Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Effekt in Strom umzuwandeln. Dies hat nun ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin demonstriert.

Ein internationales Team um Prof. Oliver Rader hat an BESSY II gezeigt, dass  Samariumhexaborid kein topologischer Isolator ist. Durch einen Quanteneffekt wird dieses metallische Material bei sehr tiefen Temperaturen zu einem Kondo-Isolator, zeigt aber dennoch eine Restleitfähigkeit. Theoretische und erste experimentelle Arbeiten hatten zuvor darauf hingedeutet, dass dies auf einen topologischer Isolator schließen lässt. Das Team hat nun in Nature Communications eine überzeugende alternative Erklärung vorgestellt.

Untersuchungen an BESSY II zeigen, warum selbst „löchrige“ Perowskit-Filme gut funktionieren

HZB-Wissenschaftler haben einen Mechanismus identifiziert, mit dem sich möglicherweise schnellere und energiesparendere magnetische Speicher realisieren lassen. Sie verglichen, wie unterschiedliche magnetische Ordnungen im Seltenerd-Metall Dysprosium auf einen kurzen Laserpuls reagieren. Dabei fanden sie heraus, dass sich die magnetische Ordnung sehr viel schneller und mit deutlich geringerem Energieeinsatz verändern lässt, wenn die magnetischen Momente der einzelnen Atome nicht alle in dieselbe Richtung weisen (ferromagnetisch), sondern gegeneinander verdreht sind (antiferromagnetisch). Die Studie erschien am 6.11.2017 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters und schmückt auch die Titelseite.

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Ein internationales Team hat erstmals Nanostrukturen aus Silber mit einem Elektronenstrahl auf ein Substrat „geschrieben“. Silbernanostrukturen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sichtbares Licht auf der Nanoskala zu konzentrieren. Mögliche Anwendungen liegen in der Sensorik (Nachweis von Molekülen), aber auch in der Datenverarbeitung mit Licht.

Das Helmholtz-Zentrum Berlin erweitert sein Angebot an CoreLabs für die Forschung an Energiematerialien. Zusätzlich zu den fünf bereits etablierten CoreLabs wurde nun ein CoreLab für Quantenmaterialien eingerichtet. Ein Forscherteam vom HZB-Institut für Quantenphänomene in neuen Materialien betreut das CoreLab mit dem modernen Gerätepark. Das CoreLab steht auch Messgästen aus anderen Forschungseinrichtungen offen.  

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) baut mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein gemeinsames Labor für elektrochemische Untersuchungen an Fest-Flüssig-Grenzflächen auf. Das „Berlin Joint Lab for Electrochemical Interfaces“, kurz BElChem, nutzt Röntgenlicht von BESSY II, um Materialien für die regenerative Energiegewinnung zu analysieren.

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti₄O₇) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt. 

Ein internationales Team aus Forschenden des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie aus Schweden und den USA hat einen Mechanismus untersucht, der Biomoleküle wie die Erbsubstanz DNA gegen Schädigung durch Licht schützt. Sie beobachteten, wie die Energie der einfallenden Photonen im Molekül aufgenommen wird ohne wichtige Bindungen des Biomoleküls zu beschädigen. Die Experimente fanden am Freie Elektronen-Laser LCLS in Kalifornien und an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB in Berlin statt, wo mit der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung, RIXS, ein sehr empfindliches Messverfahren bereit steht.

Ultradünne CIGSe-Solarzellen sparen Material und Energie bei der Herstellung. Allerdings sinkt auch ihr Wirkungsgrad. Mit Nanostrukturen auf der Rückseite lässt sich dies verhindern, zeigt eine Forschungsgruppe vom HZB zusammen mit einem Team aus den Niederlanden. Sie erzielten bei den ultradünnen CIGSe-Zellen einen neuen Rekord bei der Kurzschlussstromdichte.

Experimente an BESSY II zum Wassermanagement geben Hinweise auf weitere Optimierung von Brennstoffzellen 

Das Speichern von Überschussstrom aus Solar- und Windenergie zählt zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Kopernikus-Projekt „Power-to-X“ (P2X) aufgesetzt, um Forschungsprojekte zur Umwandlung von elektrischer Energie aus Sonne und Wind in chemische Grundstoffe, gasförmige Energieträger und Kraftstoffe voran zu bringen. An dem Forschungsvorhaben beteiligt sich auch das Helmholtz-Zentrum Berlin. Mit dem jetzt eröffneten Laborkomplex EMIL@BESSY II stehen einzigartige Synthese- und Analytiktools mit direktem Zugang zum Röntgenlicht von BESSY II zur Verfügung. Insgesamt sind 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie drei zivilgesellschaftliche Organisationen eingebunden. In der ersten Entwicklungsphase fördert das BMBF das Projekt mit 30 Millionen Euro.

Elektronische, magnetische und strukturelle Prozesse in Energiematerialien finden auf Zeitskalen zwischen Femtosekunden und 100 Pikosekunden statt. Um solche Prozesse zu beobachten, wird die Probe mit einem ersten Lichtpuls angeregt und dann mit einem zeitlich verzögerten Abfragepuls „abgetastet“. Dabei ist es allerdings entscheidend, dass der zeitliche Überlapp beider ultrakurzen Lichtpulse exakt bekannt ist. Nun hat ein Team vom HZB und der Universität Potsdam eine neue und überraschend simple Lösung gefunden, um auch bei Lichtpulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen, z.B. aus dem Infrarot- und Röntgenbereich, den zeitlichen Überlapp genau zu messen: Sie setzen dafür einen Standard-Röntgenspiegel ein, der auch sonst in BESSY II  verwendet wird. Der Spiegel besteht aus alternierenden Nanolagen von Molybdän und Silizium, die durch Laseranregung dynamisch ihre Dicke ändern, was sich auf die Reflektivität des Spiegels auswirkt.

Ein HZB-Team hat eine neue Methode entwickelt, um Moleküle in Lösung mit Laserexperimenten analysieren zu können. Dies war bisher schwierig, weil sich dafür die Probe im Vakuum befinden muss, Flüssigkeiten unter Vakuum aber verdampfen.  Dem Team ist es nun gelungen, das Lösungsmittel durch eine ionische Flüssigkeit zu ersetzen, die im Vakuum nicht verdampft: So können die  Moleküle mit einem Laserpuls angeregt werden, und das Verhalten der angeregten Zustände im Vakuum gemessen werden. Dies gibt Aufschluss über physikalische und chemische Prozesse in neuartigen flüssigen Energie-Materialien, wie sie etwa in organischen Solarzellen oder Katalysatoren zum Einsatz kommen.

Ein internationales Team hat an BESSY II einen neuen Weg gefunden, um exotische magnetische Muster wie Monopole oder Wirbel in einer dünnen magnetischen Schicht zu erzeugen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Das neue Materialsystem besteht aus einer supraleitenden Mikrostruktur, die mit einem extrem dünnen ferromagnetischen Film beschichtet ist. Ein kurzfristig angelegtes äußeres Magnetfeld regt Ströme in den supraleitenden Bereichen an. Durch diese Ströme werden die gewünschten magnetischen Muster stabil in die ferromagnetische Dünnschicht eingeschrieben. Die Ergebnisse sind in Advanced Science publiziert.

Nano-dimensionierte Metalldrähte finden zunehmend Interesse als leitfähige Elemente für die Herstellung transparenter Elektroden. Zum Einsatz kommen solche transparenten Elektroden in Solarzellen oder Touchscreen-Panels. Zu den wichtigsten Parametern einer Elektrode für die Anwendung in der Photovoltaik gehört neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine exzellente optische Durchlässigkeit. Ein internationales Team um den HZB-Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Giersig hat kürzlich demonstriert, dass metallische Netze, die fraktal-ähnliche Nanostrukturen besitzen, andere metallische Netze in ihrer Nützlichkeit für die genannten Anwendungen übertreffen. Diese Ergebnisse wurden jetzt in der jüngsten Ausgabe des renommierten Journals Nature Communications veröffentlicht.

Mitten in Berlin, gegenüber dem Pergamonmuseum, fand letzte Woche die Internationale Konferenz "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes 2016" statt. Über 100 Expertinnen und Experten kamen vom 12. – 16. September 2016 im Magnus-Haus der Deutschen Physikalischen Gesellschaft zusammen.

Lithium-Ionen-Akkus könnten ihre Kapazität theoretisch versechsfachen, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde. Ein HZB-Team hat erstmals mit Neutronenmessungen detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern. Ihre Arbeit zeigt, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen. Die Arbeit ist in der Zeitschrift ACSnano der American Chemical Society veröffentlicht.

Am HZB-Institut für Methoden der Materialentwicklung forschen zwei Freigeist-Fellows, die von der VolkswagenStiftung gefördert werden: Die theoretische Chemikerin Dr. Annika Bande modelliert schnelle Elektronen-Prozesse und Dr. Tristan Petit untersucht Nanoteilchen aus Kohlenstoff. Nun konnte Annika Bande mit einem  Modulantrag bei der VolkswagenStiftung zusätzlich 150.000 Euro für eine weitere dreijährige Doktorandenstelle einwerben. Die Doktorarbeit wird beide Freigeist-Vorhaben miteinander verknüpfen.

Ein Team am HZB hat experimentell eine sogenannte Quanten-Spinflüssigkeit in einem Einkristall aus Kalzium-Chrom-Oxid nachgewiesen. Dabei handelt es sich um einen neuartigen Materiezustand. Das Besondere an dieser Entdeckung: Nach gängigen Vorstellungen war das Quantenphänomen in diesem Material gar nicht möglich. Nun liegt eine Erklärung vor. Die Arbeit erweitert das Verständnis von kondensierter Materie und könnte auch für die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern von Bedeutung sein. Die Ergebnisse sind nun in Nature Physics veröffentlicht.

Graphen auf Siliziumkarbid könnte ein interessantes Materialsystem für künftige spintronische Bauelemente werden.  Durch eingeschleuste Goldatome kann die Spin-Bahn-Wechselwirkung punktuell so stark erhöht werden, dass sich die Spins kontrollieren lassen. Dies zeigen erste Ergebnisse an BESSY II, die nun in den Applied Physics Letters veröffentlicht sind. 

Ein HZB-Team hat Dünnschichten aus Dysprosium-Kobalt über einer nanostrukturierten Membran an BESSY II untersucht. Sie zeigten, dass eine Erwärmung auf nur 80 Grad Celsius ausreicht, um die Magnetisierung von winzigen Nano-Regionen neu auszurichten. Dies ist weit weniger als bislang für die wärmeunterstützte magnetische Datenspeicherung (Heat Assisted Magnetic Recording) nötig war. Ziel dieser Forschung sind schnelle und energieeffiziente Datenspeicher, die mehr Informationen auf kleinster Fläche speichern. Die Ergebnisse sind in dem neuen Fachjournal Physical Review Applied veröffentlicht.

Ein HZB-Team hat an der Synchrotronquelle BESSY II zwei unterschiedliche Methoden kombiniert, um mehr Informationen zur Chemie von Übergangsmetallverbindungen in Lösung zu gewinnen. Solche Verbindungen können als Katalysatoren in Energiematerialien gewünschte Reaktionen befördern, sind aber bislang noch nicht vollständig verstanden.  Sie zeigten an einem einfachen Modellsystem aus Eisen in Wasser, wie sich aus dem systematischen Vergleich sämtlicher elektronischer Wechselwirkungsprozesse ein detailliertes Bild der elektronischen Zustände ermitteln lässt. Die Ergebnisse sind im Open Access Journal von Nature, den Scientific Reports, publiziert.

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) erhält eine von sieben Projektförderungen und stärkt damit den Technologietransfer im Themenfeld Energiematerialien

Ein internationales Team um den HZB-Forscher Jaime Sánchez-Barriga hat gezeigt, wie sich in Proben aus einem Topologischen Isolator-Material spinpolarisierte Ströme gezielt in Gang setzen lassen. Zudem konnten sie die Ausrichtung der Spins in diesen Strömen kontrollieren. Damit demonstrierten sie, dass sich diese Materialklasse dafür eignet, mithilfe von Spins Daten zu verarbeiten. Die Arbeit ist in der renommierten Zeitschrift Physical Review B erschienen und wurde als "Editor's Suggestion" ausgezeichnet.

Die Bewerber um Fördermittel für Forschung an Topologischen Isolatoren haben sich am 15. und 16. Februar am HZB in Adlershof getroffen. Es handelt sich um die zweite Förderperiode für das Schwerpunktprogramm SPP 1666 der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die Mitte 2016 bis 2019 läuft. In Schwerpunktprogrammen bringen Forscher aus ganz Deutschland ihre jeweilige Expertise ein.

Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat ein Verfahren entwickelt, um empfindliche Halbleiter für die solare Wasserspaltung („Künstliches Blatt“) mit einer organischen transparenten Schutzschicht zu versehen. Die extrem dünne Schutzschicht aus vernetzten Kohlenstoffatomen ist stabil und leitfähig und mit Katalysator-Nanopartikeln aus Metalloxiden bedeckt. Diese beschleunigen die Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung. Die so hergestellte Hybridstruktur zeigt als Photoanode für die Sauerstoffentwicklung Stromdichten von über als 15 mA/cm². Die Ergebnisse sind nun in Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin konnte nun erstmals messen, wie neue Verbindungen zwischen Molekülen diese beeinflussen: Sie haben aus Messdaten an der Swiss Lightsource des Paul-Scherrer-Instituts die „Energielandschaft“ von Azeton-Molekülen rekonstruiert und so experimentell den Aufbau von Wasserstoffbrücken zwischen Azeton- und Chloroform-Molekülen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind in Nature Scientific Reports veröffentlicht  und helfen, grundlegende Phänomene der Chemie zu verstehen.

Eine französisch-deutsche Kooperation hat ein Schichtsystem aus Übergangsmetalloxiden an BESSY II untersucht. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine neue Möglichkeit, um Eigenschaften der Grenzfläche gezielt zu verändern, zum Beispiel den Ladungstransfer oder die magnetischen Eigenschaften. Möglicherweise könnte man damit sogar neue Formen der Hochtemperatur-Supraleitung erzeugen.

Auch mit Raman-Mikrospektroskopie  lässt sich ermitteln, wie Kristallorientierungen in polykristallinen Materialien über größere Bereiche verteilt sind. Dieses Verfahren kann als Alternative zur Rückstreuelektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop herangezogen werden. Dass beide Verfahren auf Flächen von mehreren hundert Quadratmikrometern zu vergleichbaren Ergebnissen führen, hat nun ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) demonstriert.

Das Halbleitermaterial Silizium kann mit Hilfe von Nanostrukturierung ganz neue Talente entfalten. Dies zeigt nun ein Team am HZB-Institut „Nanoarchitekturen für die Energieumwandlung“ und am MPI für die Physik des Lichts. So geben Nanokegel aus Silizium nach Anregung mit sichtbarem Licht 200mal so viel Infrarotlumineszenz ab wie vergleichbar große Nanosäulen.  Modellierungen und experimentelle Ergebnisse zeigen: Die Kegel können durch ihre Geometrie Flüstergalerie-Moden für Infrarotwellen beherbergen, die die Silizium-Lumineszenz verstärken. Neue Anwendungen bis hin zu Nanolasern auf Siliziumbasis sind damit denkbar.

Die EDDI-Beamline an BESSY II leistet nun noch deutlich mehr: Seit Kurzem ist es möglich, auch hochaufgelöste dreidimensionale Bilder des mikroskopischen Aufbaus zu erhalten, und zwar mit einer Geschwindigkeit von bis zu vier Bildern pro Sekunde. Zeitgleich kann wie zuvor Röntgenbeugung (Energie-dispersive Diffraktion) durchgeführt werden, die Rückschlüsse auf die kristalline Struktur des Materials zulässt.

Der Berliner Elektronenspeicherring BESSY II lässt sich auch zweispurig betreiben, zeigte das Beschleuniger-Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB): Durch raffinierte Einstellungen an den Magnetoptiken können die Physiker eine zweite Spur erzeugen, auf der zusätzliche Elektronenpakete zirkulieren und Lichtblitze an die Experimentierstationen abgeben. Die Nutzergemeinschaft könnte so in Zukunft nach Bedarf entweder Lichtblitze der einen oder der anderen Spur für ihr Experiment auswählen. Der neu entwickelte Modus konnte bereits stabil eingestellt werden und  erste Tests an Experimentierstationen zeigen vielversprechende Resultate. Damit hat das HZB weltweit Neuland betreten und zugleich einen weiteren Meilenstein in Richtung des Zukunftsprojektes BESSY-VSR erreicht.

Auf der International Conference on X-Ray Absorption Fine Structure hat Markus Kubin bei der Postersession mit mehr als 300 Postern einen von fünf Posterpreisen erhalten.

CIGSe-Solarzellen sind aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen aufgebaut und können hohe Wirkungsgrade erreichen. Um wertvolles Indium einzusparen, soll die CIGSe-Schicht jedoch so dünn wie möglich sein. Dadurch sinkt allerdings der Wirkungsgrad sehr stark. Nun hat es ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) geschafft, ultradünne CIGSe-Schichten von hoher Qualität herzustellen und mit winzigen Nanoteilchen auf der Rückseite der Zelle den Wirkungsgrad zu steigern.

Ein Team aus dem Institut für Silizium-Photovoltaik des Helmholtz-Zentrums Berlin hat ein neues und raffiniertes Verfahren entwickelt, um die empfindliche Perowskit-Schicht erstmals mit Graphen zu beschichten. Mit anschließenden Messungen konnten sie belegen, dass Graphen ideal als Frontkontakt geeignet ist.

Die Einstein-Stiftung fördert ab 2016 ein neues Einstein-Zentrum für Katalyse (EC²), an dem sich die Technische Universität Berlin (TU Berlin) und mehrere außeruniversitäre Einrichtungen aus Berlin beteiligen. Aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) wirkt Prof. Dr. Emad Aziz, Leiter des HZB-Instituts für Methoden der Materialforschung, am Aufbau der Einrichtung mit. Sein Team bringt insbesondere Expertise in der Analytik ultraschneller Prozesse bei katalytischen Reaktionen ein.

Eine überraschende Erkenntnis bei organisch-anorganischen Hybrid-Solarzellen hat ein Team um Silke Christiansen gewonnen: anders als erwartet, entspricht der Übergang zwischen der organischen leitfähigen Kontaktschicht aus PEDOT:PSS und dem Silizium-Absorbermaterial nicht einem Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), sondern einem pn-Übergang zwischen zwei Halbleitermaterialien. Ihre Ergebnisse sind nun in dem Nature-Journal Scientific Reports publiziert und können neue Wege aufzeigen, hybride Solarzellen zu optimieren.

Ein Team um Silke Christiansen hat eine transparente, hochleitfähige Elektrode für Solarzellen und andere optoelektronische Bauelemente entwickelt, die mit minimalem Materialaufwand auskommt. Sie besteht aus einem ungeordneten Netz aus Silbernanodrähten, das mit Aluminum-dotiertem Zinkoxid beschichtet ist. Die neuartige Elektrode benötigt knapp 70mal weniger Silber als konventionelle Silber-Gitterelektroden, besitzt aber eine vergleichbar gute Leitfähigkeit.

Mit verschiedenen röntgenspektroskopischen Experimenten an BESSY II zeigte ein HZB-Team, dass sich Chlor in einer bestimmten Klasse von Perowskiten sehr ungleichmäßig verteilt: während an der Oberfläche Chlor nicht nachweisbar ist, findet man in tieferen Lagen, insbesondere an der Grenzfläche zum Substrat, eine signifikante Chlorkonzentration. Die Ergebnisse könnten Wege aufzeigen, bei der Herstellung der Schichten die Verteilung der Chloratome zu kontrollieren und dadurch die Effizienz von Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen weiter zu steigern.

Die "International Conference on Thermoelectrics (ICT)" und die "European Conference on Thermoelectrics (ECT) " fanden in diesem Jahr vom 29.06.2015 bis zum 02.07.2015 in Dresden statt. Das HZB war bei diesem internationalen, multidisziplinären Treffen zum ersten Mal vertreten. Dabei präsentierte die HZB Abteilung "Methoden zur Charakterisierung von Transportphänomenen in Energiematerialien" um Dr. Klaus Habicht ihre Forschung mit zwei Vorträgen und einem Poster.

Eine internationale Kooperation hat es geschafft, mit Synchrotronlicht komplexe Magnetisierungsmuster in gewickelten magnetischen Schichten dreidimensional auszulesen. Dieses Verfahren könnte interessant sein, um hochempfindliche Sensoren für Magnetfelder zu entwickeln, beispielsweise für die medizinische Diagnostik. Die Ergebnisse sind in Nature Communications publiziert.

HZB-Team entschlüsselt Zusammenhang zwischen magnetischen Wechselwirkungen und Verzerrungen der Kristallstruktur in einem geometrisch „frustrierten“ Spinell-System

Mit 3,9 Millionen Euro fördert das Europäische Forschungsprogramm Horizont 2020 ein internationales Projekt, das die Eignung von (Nano-)Diamant-Materialien als Katalysatoren untersucht: mit Hilfe von Sonnenlicht könnten solche Materialien Kohlendioxid in Brennstoffe umwandeln und damit Solarenergie chemisch speichern.

Erstmals ist es einem Team gelungen, nicht nur präzise zu messen, sondern sogar zu steuern, wie stark eine Graphenschicht eine organische Verbindung absorbiert. Dies könnte in Zukunft ermöglichen, Graphen als empfindlichen Sensor für Biomoleküle zu nutzen.

Ein Forschungsteam hat einen neuen Ansatz entwickelt, um Batterie-Elektroden am Computer noch realistischer zu modellieren. Sie kombinierten dafür Synchrotron-Tomographie-Aufnahmen, die die dreidimensionale Struktur mikrometergenau abbilden, mit Elektronenmikroskopie-Aufnahmen, die in einem kleinen Ausschnitt sogar Nanostrukturen auflösen. Mit einem mathematischen Modell konnten sie diese Nanostrukturen auf Bereiche außerhalb des Ausschnitts übertragen. Dadurch lassen sich Eigenschaften und Prozesse in Batterie-Elektroden nun höchst realistisch simulieren.

Auf der Tagung der Materials Research Society (MRS) in San Francisco ist der Posterbeitrag von Kai Neldner aus der HZB-Abteilung Kristallographie (EM-AKR) mit einem Preis des Symposiums B "Thin-Film Compound Semiconductor Photovoltaics" ausgezeichnet worden. Kai Neldner, der als Doktorand der HZB-Graduiertenschule "Materials for Solar Energy Conversion " (MatSEC) am HZB forscht, stellte dort Ergebnisse zu den strukturellen Eigenschaften von Kesteriten (Cu₂ZnSnS₄ - CZTS) im Verhältnis zu Abweichungen von deren Stöchiometrie vor.

Das Berlin Joint EPR Lab (BeJEL) der Freien Universität Berlin und des HZB holt sechs von 27 Teilprojekten eines DFG-Schwerpunktprogramms nach Berlin, das die  Eigenschaften von Elektronenspins in Energiematerialien und biologischen Systemen untersucht.

Auf dem Frühjahrstreffen der European Materials Research Society ist der Posterbeitrag von Dr. Ah Reum Jeong aus dem HZB-Institut für Heterogene Materialsysteme ausgezeichnet worden. Die junge Wissenschaftlerin stellte dort Ergebnisse zu den elektronischen und strukturellen Eigenschaften im Verhältnis zur chemischen Zusammensetzung von Molybdänoxid-Schichten vor. Solche Schichten können in hybriden Solarzellen und optoelektronischen Bauelementen  eingesetzt werden.

In einer Struktur aus zwei verschiedenen ferroischen Schichten hat ein Team aus Paris und dem HZB es geschafft, mit Hilfe einer Spannung magnetische Domänen an und auszuschalten. Dies gelang jetzt schon nahe der Raumtemperatur. Ihre Arbeit ist für zukünftige Anwendungen in der Spintronik interessant, zum Beispiel um Daten mit weniger Energieaufwand schnell und effizient zu speichern. Die Ergebnisse sind nun in Scientific Reports veröffentlicht.

Ein Team des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe hat eine neue Komposit-Photokathode entwickelt, um mit Sonnenlicht effizient Wasserstoff zu erzeugen. Damit kann Solarenergie chemisch gespeichert werden. Die Photokathode besteht aus einer Chalkopyrit-Dünnschicht vom PVComB, die mit einem neu entwickelten dünnen Film aus Titandioxid beschichtet ist, in den Platin-Nanoteilchen eingebettet sind. Diese Schicht schützt die Chalkopyrit-Dünnschicht nicht nur vor Korrosion, sondern beschleunigt außerdem als Katalysator die Wasserstoffbildung und weist selbst hohe Photostromdichte und Photospannung auf.

Ein Team aus dem HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, um mit einer speziellen Tinte Kesterit-Absorberschichten (CTZSSe) Tropfen für Tropfen auszudrucken. Solarzellen mit so produzierten Absorberschichten erreichten Wirkungsgrade von 6,4 %. Auch wenn dies noch deutlich unter den Rekordwerten für Kesterit-Solarzellen liegt, ist das Tintendruck-Verfahren interessant für die industrielle Produktion, da es extrem ökonomisch ist und kaum Abfälle erzeugt.

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.

Eine Biostruktur im Säugetierauge hat ein Team um Silke Christiansen inspiriert, ein anorganisches Pendant für den Einsatz in Solarzellen zu entwerfen. Mit Hilfe etablierter halbleitertechnologischer Verfahren ätzten sie dicht an dicht mikrometerfeine, vertikale Trichter in ein Siliziumsubstrat. Mit Modellrechnungen und im Experiment testeten sie, wie solche Trichterfelder das einfallende Licht sammeln und in die aktive Schicht einer Siliziumsolarzelle leiten. Durch diese Trichteranordnung steigt die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 %, was sich in deutlich verbesserten Solarzellparametern u.a. einem erhöhten Wirkungsgrad widerspiegelt.

Ein internationales Forschungsteam aus Berlin, Freiburg und Fukuoka, Japan, hat erstmals einen direkten experimentellen Einblick in das geheime Quantenleben des Chromdimers gewonnen: Das Molekül aus zwei Chrom-Atomen besitzt zwölf Valenzelektronen, die eine enge Sechsfachbindung zwischen den beiden Atomen gewährleisten. Die Abspaltung von nur einem einzigen Elektron verändert diese Situation dramatisch: Zehn Elektronen lokalisieren sich und richten ihre Spins parallel aus, so dass das Chromdimer-Kation ferromagnetisch wird. Für die molekulare Bindung sorgt dann nur noch ein einziges Elektron. Die Forscher nutzten ein einzigartiges Instrument, die Nanocluster Trap an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin, und haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals die flüchtigen Zwischenstufen beobachtet, die sich bilden, wenn Kohlenmonoxid auf einer heißen Ruthenium-Oberfläche, einem einfachen Katalysator, oxidiert. Sie nutzten dafür ultrakurze Röntgenblitze und Laserpulse am SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, Kalifornien. Dabei erhitzte ein Laserblitz zunächst die Ruthenium-Oberfläche und aktivierte so die absorbierten Kohlenmonoxid-Moleküle und Sauerstoff-Atome. Über Röntgenabsorptionsspektroskopie konnte das Team dann ermitteln, wie sich die elektronische Struktur der Sauerstoffatome veränderte, während sie mit Kohlenstoff-Atomen Bindungen anbahnten. Die beobachteten Übergangszustände stimmen mit quantenchemischen Berechnungen gut überein.

Gemeinsam mit dem HZB haben Teams von der Universität Regensburg, der Freien Universität Berlin sowie der Ruhr-Universität Bochum bei BESSY II einen einzigartigen, neuen Messplatz aufgebaut: ein Vektormagnet aus drei senkrechten Helmholtz-Spulen ermöglicht es, lokal an der Probenposition beliebig orientierte Magnetfelder einzustellen. 2015 sollen erste Messungen an magnetischen Materialien, Spinsystemen und nanostrukturierten Proben durchgeführt werden.