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Neue Generation von Solarzellen

Ein Gespräch mit Dr. Ingo Riedel, Leiter der EWE- Nachwuchsgruppe "Dünnschicht - Photovoltaik" 

Welche Ziele verfolgt die heutige Photovoltaik-Forschung insgesamt?
Die Wirtschaftlichkeit von Solarzellen hängt letztlich vonBild den drei Größen „Herstellungskosten, Effizienz und Lebensdauer“ ab. Alle drei Größen sind zwangsläufig mit dem verwendeten Halbleitermaterial gekoppelt: Es müssen geeignete Materialen gefunden werden, die kostengünstig zu verarbeiten, nicht giftig und nachhaltig verfügbar sind. Nicht weniger wichtig ist, dass diese Halbleiter das Sonnenlicht gut einfangen und daraus elektrische Ladungen generiert. Wir Forscher an der Uni liefern dafür Grundlagen und versuchen die verschiedenen Prozesse in einer Solarzelle zu verstehen. Wir gucken uns beispielsweise das optische Verhalten dieser Solarzellen an: In welchen Bereichen des solarem Spektrums absorbieren sie überhaupt? Wo wandeln sie die eingestrahlten Photonen wirklich effizient in Ladungsträger um? Wird zum Beispiel UV- Licht besser in Strom umgewandelt als infrarotes Licht, das weniger energiereich ist. Weitere Fragen sind zum Beispiel, wo gehen uns die Ladungsträger in der Solarzelle wieder verloren bevor sie die äußeren Kontakte erreichen und welche Prozesse sind dafür verantwortlich, dass eine Solarzelle altert?

Woran arbeitet die Arbeitsgruppe Photovoltaik ?
Wir beschäftigen uns mit neuartigen Bauformen von Solarzellen, so genannten Dünnschichtsolarzellen. Einer dieser Ansätze basiert auf dünnen Schichten eines hoch absorbierenden Halbleiter-Materials aus Kupfer-Indium-Schwefel-Verbindungen (CuIn(S,Se)2), die dreißig Mal dünner sind als ein Haar. Diese Technologie befindet sich bereits im Stadium der Markteinführung und es wird erwartet, dass Dünnschicht-Solarmodule mittel- bis langfristig einen wesentlichen Anteil an der solaren Stromerzeugung haben werden. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die organische Photovoltaik – spezielle halbleitende Kunststoffe (Polymere) werden mit Fullerenen, also fußballförmigen Molekülen, vermischt und mit Hilfe eines Druckverfahrens zu extrem dünnen photovoltaisch arbeitenden Schichten verarbeitet. Dieser Ansatz ist technologisch schon weit vorangeschritten (5% Wirkungsgrad). Die physikalischen Grundlagen hinken hier aber noch sehr weit hinterher. Allgemein gilt: Ohne Grundlagenverständnis keine gezielte Wirkungsgradsteigerung. Wir schauen uns deshalb die Dünnschichtsolarzellen auf Dimensionen von einigen Quadratzentimetern an und versuchen die elementaren Prozesse in der Solarzelle und die damit verbundenen Verlustprozesse zu verstehen. Erst dann macht es Sinn, die Zellen größer zu machen oder zu Modulen zu verschalten. Wir arbeiten aber auch sehr eng mit der Industrie zusammen und erarbeiten gemeinsam neue Konzepte für noch bessere oder stabilere Solarzellen.

BildWelchen Vorteil haben diese neuen Solarzellen?
Der gemeinsame Vorteil dieser neuen Materialien ist die kostengünstige Herstellung großflächiger Solarmodule. Während herkömmliche Silizium-Module eine stückweise Verarbeitung dünner Kristallscheiben und aufwändige Herstellungsverfahren erfordern, kommen beim CIS eher einfache und bewährte Beschichtungstechnologien zum Einsatz. Auch die organische Photovoltaik ist ein spannendes Thema für uns: Organische Materialen sind Kohlenwasserstoff–Verbindungen. Diese haben wesentliche Eigenschaften uns bekannter Halbleiter, aber sie sind mit einem speziellen Elektronengerüst versehen. Das sind Moleküle, ähnlich wie beim Chlorophyll im Blattgrün oder auch Farbpigmente oder sogar Kunststoffe. Im Bereich der organischen Solarzellen ist dies nochmal viel deutlicher. Hier denkt man sogar darüber nach, Solarmodule großflächig mit Druckverfahren in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess herzustellen und die Produktionskosten weiter zu senken. Die Chancen der Dünnschicht- Photovoltaik liegen somit im Bereich des Kosten-Nutzen-Verhältnisses: deutlich geringere Herstellungskosten im Vergleich zu Silizium und ein attraktives Design lassen die Dünnschichttechnologien für die Fassadenintegration auch bei niedrigen Modulwirkungsgraden attraktiv erscheinen.

Und wo können sie noch eingesetzt werden?
Auch für den Bereich von Kleinanwendungen (Versorgung mobiler Kleinverbraucher, z.B. Handys, Taschenrechner, Laptops oder sogar in Kleidung) sind CIS- und organische Solarzellen besonders interessant, da die Integration dieser Zellen keine wesentlichen Kosten verursacht und die Farbe und Form in Grenzen einstellbar sind.

Klingt gut, aber wo ist der Haken?
Für die Dünnschichttechnologie gibt es noch erheblichen Forschungsbedarf. Zwar schaffen heute 1cm2 große Labor-Solarzellen knapp 20 Prozent Wirkungsgrad. Die Module liegen dagegen weit darunter und auch die Einzelzellen könnten mehr leisten. Praktisch übersetzt bedeutet dies, dass die Solarmodule zwar günstiger sind, der Endnutzer aber deutlich mehr Fläche benötigt. Auch im Bereich der Langzeitstabilität sind die Dünnschichttechnologien noch nicht mit der konventionellen Silizium-Photovoltaik zu vergleichen, aber daran arbeiten wir.

Und wie gehen die Forscher dabei vor?
In unserer Arbeitsgruppe verfügen wir über Messmethoden, die tiefer ins Material reinschauen. Wir gehen zum Beispiel der Frage nach: Welchen Einfluss haben materielle Verunreinigungen in diesem Halbleiter-Material auf den Ladungstransport? Denn die Ladungsträger, die wir durch eingestrahltes Licht erstmal generieren, sollen ja eigentlich zu den Kontakten, wo sie in den äußeren Stromkreis abgeführt werden, manche gehen aber unterwegs verloren. Das können wir uns hier im Labor genauer ansehen und insbesondere den Einfluss äußerer Alterungsbedingungen auf solche Verluste untersuchen. Wir arbeiten aber auch im Bereich der Materialentwicklung, d.h. wir untersuchen neue Halbleitersysteme, die man alternativ für Solarzellen einsetzen kann. Die Chemiker in unserer Gruppe können diese Funktionsmaterialien zum Teil sogar selbst herstellen und gezielt modifizieren.

Auf welchem Feld arbeitet Ihre Gruppe außerdem?
Das ist eine gute Frage: Wir interessieren uns allgemein für die Materialwissenschaften, die in der Photovoltaik eine immer größere Rolle spielen und die Zusammenarbeit von Physikern, Chemikern und zum Teil auch Biologen erfordern. Das ist aber ein sehr breit ausgelegtes Gebiet. Gemeinsam mit der Biologie wollen wir beispielsweise untersuchen, wie das Navigationssystem in Zugvögeln funktioniert. Ein paar Ideen dazu gibt es schon. Unsere experimentellen Methoden könnten, wenn wir sie etwas abändern, dazu beitragen, hier etwas mehr Einblick in die zugrundeliegenden Elementarprozesse zu bekommen. Ein anderes Projekt in beschäftigt sich damit, künstliche Retinaimplantate zu entwickeln. Hier kommen uns die Erfahrungen aus der organischen Photovoltaik sehr zur Hilfe.

Chlorophyll im Blattgrün, wie funktioniert das gleich noch?
In organischen Solarzellen werden Ladungsträger à la Photosynthese erzeugt, d.h. Licht erzeugt in einem Farbstoff angeregte Elektronen, die über einen Transfer auf andere, benachbarte Moleküle über weitere Strecken zu einem Kontakt oder wie in der Natur zu einem reaktionszentrum transportiert werden können. Die Dicken organischer Halbleiterschichten sind ca. 500 Mal dünner als ein menschliches Haar. Organische Solarzellen werden bei uns aus verflüssigten Halbleiterlösungen hergestellt und wie elektronische Tinte zu dünnen Absorberschichten für die Solarzelle verarbeitet. So lassen sich mit energiesparenden Verfahren hauchdünne, großflächige Solarfolien herstellen.

BildUnd wie weit ist die Forschung da schon?
Diese Entwicklung befindet sich gerade in einem Entwicklungsstadium wie die Silizium-Solarzellen in den 60er Jahren, da erst seit zehn Jahren in diesem Gebiet ernsthaft geforscht wird. Bis jetzt werden Wirkungsgrade von sechs Prozent auf kleinen Laborzellen erreicht. Für die Markteinführung müssen es jedoch mindestens 10% sein und dafür brauchen wir neben gut funktionierenden Kooperationen die Mitarbeit motivierter Studenten in unseren Laboren.

Also gibt´s hier noch einiges zu tun- was zum Beispiel?
Für eine bessere Effizienz braucht man neue Halbleiter-Materialien, die das Sonnenlicht in einem breiteren Spektralbereich nutzen. Deshalb arbeiten wir viel mit Chemikern zusammen, die uns spezielle Moleküle nach unseren Vorgaben synthetisieren, die wir dann in unseren Solarzellen testen. Die Chemiker wissen, wie man die Struktur in den Materialien verändert, d.h. an welchen Schrauben des Moleküls man drehen muss, damit sie zum Beispiel im Infrarot-Spektrum besser absorbieren oder damit sie Ladungen über größere Distanzen transportieren.

Wie viele Leute umfasst die Arbeitsgruppe Photovoltaik?
Zurzeit sind wir 20 Mitarbeiter, sowohl Physiker, Chemiker und Ingenieure. In erster Linie wollen wir junge und motivierte Leute als Nachwuchskräfte sowohl für die Forschung als auch für die Industrie ausbilden. Denn in der boomenden Branche Photovoltaik fehlt es massiv an kompetenten Arbeitskräften in Forschung und Entwicklung. Die Industrie lechzt geradezu nach gut ausgebildetem Nachwuchs und lockt mit attraktiven Gehältern, aber auch wir brauchen unseren eigenen Nachwuchs - wir locken dagegen mit abwechslungsreichen Themen.

Warum sind Sie Physiker geworden?
Schon als Kind war ich ein Tüftler, habe gern elektrische Geräte  auseinander genommen und versucht, die Komponenten zu verstehen. Und ich war fasziniert von Naturschauspielen: Was ist ein Blitz und warum ist in der Abenddämmerung der Himmel rot und nicht blau? Mit Hilfe der Physik kann ich mir Dinge, die in Natur und Technik eine wichtige Rolle spielen, erklären. Und Heute fasziniert mich, dass man Prozesse aus der Natur in künstlichen Materialien nachbauen und sich die natürlichen Prozesse für einen guten Zweck zunutze machen kann.

Kontakt: Ingo Riedel

Verantwortlich für diese Seite: Melanie Pust

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