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Bild: iStock; vovik_mar

Energiewende vorantreiben Neue Technik für Solarzellen

11.07.2018

Derzeit werden vielversprechende Halbleiternanomaterialien erforscht, die Silizium in Solarmodulen ablösen könnten. Die Schichten besitzen außergewöhnliche optische und elektronische Eigenschaften, die sie als Halbleiter bestens geeignet machen.

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Weniger als zwei Grad soll sich die Erde im Vergleich zur vorindustriellen Zeit erwärmen. So sieht es das Pariser Klimaabkommen von 2015 vor. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten weltweit die Emissionen klimaschädlicher Treibhausgase drastisch reduziert werden. Das wiederum setzt eine globale Energiewende voraus. So müssten fossile Brennstoffe wie Öl, Gas und Kohle weitgehend durch erneuerbare Energieträger ersetzt werden.

Drei Viertel der Sonnenenergie ungenutzt

Leider hapert es hier an der Umsetzung der Klimaziele. Dr. Michael Zürch, Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena, ist überzeugt dass sich die Energiewende mit Sicherheit beschleunigen ließe, wenn wir beispielsweise bessere Solartechnik hätten. Er verweist darauf, dass heute eingesetzte Solarmodule auf Silizium-Basis einen Wirkungsgrad von maximal 20 Prozent haben. Anders ausgedrückt: Rund drei Viertel der Sonnenenergie lässt sich mit den heutigen Modulen überhaupt nicht nutzen. Aus diesem Grund schließt er, dass Alternativen zu Silizium benötigt werden, die eine effizientere Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ermöglichen.

Make our planet great again

Diese Alternativen hat Zürch in den kommenden vier Jahren intensiv im Blick. Mit Kollegen am Lehrstuhl für Quantenelektronik der Uni Jena sowie mit französischen und US-amerikanischen Partnern startet er am 1. Juli sein Forschungsprojekt namens Quest for Energy. Der DAAD fördert das Vorhaben im Rahmen der deutsch-französischen Forschungsinitiative, mit dem Titel Make our planet great again, bis 2022 mit knapp einer Million Euro.

Was löst das Silizium ab?

Eine vielversprechende Materialklasse, die Silizium in Solarmodulen ablösen könnte, sind Halbleiternanomaterialien, wie Prof. Dr. Christian Spielmann erläutert. „Diese nur wenige Atomlagen dünnen zweidimensionalen Schichten besitzen ganz außergewöhnliche optische und elektronische Eigenschaften, die sie als Halbleiter bestens geeignet machen“, so der Physiker, in dessen Team Zürchs Projekt nun angesiedelt ist. Bekanntestes Beispiel solcher 2D-Nanomaterialien ist Graphen.

Die Jenaer Physiker wollen jedoch eine neue, bislang kaum untersuchte Klasse dieser Materialien unter die Lupe nehmen, die sogenannten Übergangsmetall-Dichalcogenide. „Dabei handelt es sich um Verbundmaterialien, die je nach Zusammensetzung in ihren Eigenschaften variieren und so für verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden könnten“, erläutert Zürch. Allerdings sei bisher nur wenig über die fundamentalen Vorgänge in diesen Materialien bekannt, wenn sie mit Licht wechselwirken. Aufgrund ihrer speziellen Nanoeigenschaften laufen die physikalischen Prozesse in diesen Materialien besonders schnell ab. Diese wollen die Physiker nun im Detail untersuchen, um ihre Eignung als Solarmaterial zu prüfen. „Uns geht es konkret darum, die Ladungsträger – sprich die Elektronen – in dem Material zu beobachten, wenn sie mit Licht beleuchtet werden.“ Das soll mit Hilfe eines leistungsfähigen Ultrakurzpulslasers passieren, der die extrem schnellen Bewegungen der Elektronen in Momentaufnahmen von wenigen Hundert Attosekunden Länge erfasst. Eine Attosekunde ist eine Trillionstel Sekunde – der kurze Moment, den es dauert, wenn Lichtteilchen die Länge eines Wassermoleküls passieren.

Die Arbeit der Jenaer Physiker sei zunächst eine „lupenreine Grundlagenforschung“, wie Zürch erklärt. Doch langfristig erhoffen sich die Forscher so den Weg für einen zielgerichteten Einsatz solcher Verbundmaterialien in der Solartechnik zu ebnen und die Energiewende tatsächlich voranzubringen.

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