Mit dem neuen Verfahren von Prof. Bachmann sollen mittels 3D-Druck Solarzellen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen produziert werden. Dabei soll systematisch und materialschonend eine effiziente Alternative zu konventionellen, siliziumbasierten Solarzellen gefunden werden.

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3D-Druck auf Nanoebene Solarzellen ultrahochauflösend drucken

21.02.2022

Die Oberflächenstruktur von Halbleitern auf kleinster Ebene beeinflusst die Effizienz von Solarzellen, besonders wenn diese aus nachhaltigen Materialien hergestellt werden. Der Prototyping-Ansatz liefert hierbei eine potenzielle Lösung: Dabei sollen mit Hilfe von 3D-Druckern Solarzellen gezielt mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen produziert und anschließend auf ihre Leistungsfähigkeit getestet werden.

Besonders dünne Solarzellen mit einem 3D-Drucker herstellen, aus nachhaltigen Materialien und präzise bis auf den Nanometer: Daran forscht Prof. Dr. Julien Bachmann, Lehrstuhl für Chemistry of Thin Film Materials an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Für sein Projekt erhält er nun den ERC Proof of Concept Grant. Der ERC Proof of Concept Grant wird an Forschende vergeben, die bereits einen ERC Grant erhalten haben und nun ausloten, wie ihre Ergebnisse in der Praxis ökonomischen oder sozialen Mehrwert bringen können.

In seiner früheren Forschung konnte Prof. Bachmann zeigen, wie die Oberflächenstruktur der Halbleiter auf kleinster Ebene die Effizienz der Solarzellen beeinflusst. Mit einem hochauflösenden 3D-Drucker, der auf 0,000001 mm genau ist, will er nun systematisch austesten, bei welche Oberflächengestaltung der Halbleiter am leistungsfähigsten ist. Für den Einsatz nachhaltiger Materialien im Bereich der erneuerbaren Energien ist diese Optimierung notwendig.

Oberflächenstruktur entscheidend

Bisher wurden Halbleiter, die in Solarzellen für den Stromfluss verantwortlich sind, zum Beispiel aus Silicium hergestellt. Deren Herstellungsverfahren ist jedoch unflexibel und benötigt viel Energie und Ausgangsmaterialien. Für eine umweltfreundlichere Lösung sollen vor allem nachhaltige Materialien verwendet werden können, die zum Beispiel in Wandfarbe oder Wimperntusche eingesetzt werden. Doch die gedruckten Solarzellen zeigten sich bisher weniger effizient als die aus konventioneller Herstellung.

Grund dafür ist die auf Nano-Ebene unkontrollierte Oberflächenstruktur der Materialien. In einem früheren Projekt untersuchte Prof. Bachmann, wie man die Oberflächenstruktur der Materialien gezielt geometrisch gestalten kann, um die Effizienz der Solarzellen zu steigern. Um diese Erkenntnisse nun systematisch auszutesten, verfolgt Prof. Bachmann einen Prototyping-Ansatz: Mit dem hochauflösenden 3D-Drucker will er schnell verschiedene Prototypen herstellen, dabei unkompliziert einzelne Faktoren verändern und sich so – ähnlich wie beim 3D-Druck in der Industrie – mit minimalem Aufwand zur besten Version hinarbeiten.

Neues Verfahren beim 3D-Druck auf Nanoebene

Für den präzisen 3D-Druck hat das Team den 3D-Druck in Atomlagen ALAM (Atomic-layer additive manufacturing) entwickelt. Statt wie bei den konventionellen Methoden auf Silicium-Basis zuerst eine Grundform herzustellen und anschließend überschüssiges Material abzutragen, wird der Halbleiter hier direkt in die gewünschte Form gedruckt. Das spart Material. Um aber bis auf 0,000001 Millimeter präzise zu drucken, werden in ALAM die Atome einzeln von zu diesem Zweck gestalteten Molekülen auf die Oberfläche geliefert und aufgetragen.

ALAM wurde von Prof. Bachmanns Lehrstuhl für Chemistry of Thin Materials an der FAU gemeinsam mit der Slowakischen Akademie der Wissenschaften, der Technischen Universität Dänemark und dem Startup-Unternehmen „Atlant 3D Nanosystems“ zunächst unabhängig von der Entwicklung von Solarzellen entwickelt.

Dieses Verfahren soll nun im kommenden Projekt für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen getestet werden. Dafür möchte Prof. Bachmann den ALAM-Prototyp-Drucker optimieren und umbauen, um flexibel unterschiedliche Materialien, die für die Herstellung des Halbleiter-Aufbaus notwendig sind, aufeinander drucken zu können. So sollen verschiedene Solarzell-Prototypen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen hergestellt und anschließend auf ihre Leistungsfähigkeit getestet werden. Ziel ist eine schnelle Entwicklung einer nachhaltigen und effizienten Alternative zu konventionellen Solarzellen.

Die Ergebnisse könnten den Ausbau der erneuerbaren Energien unterstützen und die Abhängigkeit von Silicium, das auch für Mikrotechnik in Smartphones und Computern eingesetzt wird, bei der Herstellung von Solarzellen reduzieren. „Der normalgroße 3D-Druck hat die Herstellung und Weiterentwicklung von Prototypen in der Industrie revolutioniert. Die ALAM-Technik könnte eine solche Revolution auf Nanoebene bedeuten. Viel mehr Wirtschaftsakteure könnten damit Teile und Geräte auf Mikro- und Nanoebene selbst herstellen“, erklärt Prof. Bachmann.

ERC Proof of Concept

„Wir freuen uns sehr, dass regelmäßig Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der FAU mit ERC Grants ausgezeichnet werden. Besonders stolz bin ich, dass Prof. Dr. Julien Bachmann als erster Wissenschaftler an der FAU den ERC Proof of Concept Grant erhalten hat. Das spricht einmal mehr dafür, dass an der FAU nicht nur jeden Tag exzellente Forschungsarbeit geleistet wird, sondern dass wir mit den Ergebnissen auch zu einem gesellschaftlichen Mehrwert beitragen“, gratuliert Prof. Dr. Joachim Hornegger.

Wissenschaftsminister Bernd Sibler sagt: „Es macht mich stolz, dass unsere bayerischen Universitäten beim Einwerben von Fördermitteln des Europäischen Forschungsrats traditionell sehr erfolgreich sind. Die ERC Grants sind ein Markenzeichen für die wissenschaftliche Exzellenz einer Universität auf internationaler Ebene und in der Wissenschaftswelt eine renommierte Auszeichnung. Von den heute vergebenen Proof of Concept Grants gehen drei nach Bayern. Ich gratuliere Herrn Professor Dr. Julien Bachmann und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und wünsche ihnen für ihr Projekt alles Gute.“

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert als bahnbrechend und exzellent bewertete Forschungsvorhaben. Anders als die ERC Main Grants (Starting, Consolidator, Advanced und Synergy Grant) geht es beim ERC Proof of Concept Grant allerdings nicht um Projekte aus der Grundlagenforschung. Die Förderlinie richtet sich an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die bereits einen ERC Grant erhalten haben und ihre Ergebnisse nun zur praktischen Anwendung bringen und auf kommerziellen und sozialen Mehrwert prüfen möchten. Prof. Bachmann hatte 2015 einen ERC Grant erhalten.

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