Auf dem Weg zu einer besseren Zukunft mit Solarzellen der dritten Generation
Die dritte Generation der Solarzellen steht vor der Tür. Ob organische Solarzellen, Quantenpunkt- oder Perowskit-Solarzellen – alle Technologien der dritten Generation versprechen kleinere Zellen mit höherer Energieeffizienz, und das zu einem niedrigeren Preis. Auf dem Weg zur Kommerzialisierung gibt es jedoch ein erhebliches Hindernis: Zellen der dritten Generation sind so klein und so komplex, dass wir, sobald sie komplett fertiggestellt sind, nicht mehr so sicher sind, wie ihre Struktur genau aussieht. „Die Optimierung von Solarzellen der dritten Generation, organisch oder anorganisch, ist in hohem Maße ein Prozess von Versuch und Irrtum“, sagt Jens Andreasen, Spezialist für die Erforschung der synchrotronbasierten 3D-Bildgebung von Energiematerialien am Institut für Energieumwandlung und Speicherung der Technischen Universität Dänemark (DTU) und wissenschaftlicher Leiter des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts SEEWHI (Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging). „Das hat in zweifacher Hinsicht Auswirkungen. Erstens verzögert sich die Suche nach optimalen Materialkombinationen erheblich, da für jeden Prozessparameter Tests an fertigen Einheiten durchgeführt werden müssen. Noch bedeutender ist jedoch, dass Systeme mit besserer Leistung möglicherweise völlig übersehen werden.“ Andreasen hat einen Plan, um dieses Problem anzugehen. Im Mai 2016 begann er mit der Entwicklung neuartiger 3D-Bildgebungsverfahren, die auf röntgenbasierter ptychographischer Tomographie und 3D-Röntgendiffraktion aufbauen. Im Erfolgsfall würden seine Bemühungen eine Unterscheidung von Materialien ermöglichen und bei hoher räumlicher Auflösung sehr subtile Unterschiede zeigen.
Nanostrukturen aufdecken
Nehmen wir zum Beispiel organische Solarzellen. Sie bestehen aus leichten Elementen mit geringen Dichteunterschieden. Die Untersuchung der Nanostruktur dieser Elemente erfordert eine Technik, die einen gewissen Kontrast zwischen verschiedenen mikrostrukturellen Unregelmäßigkeiten im Nanobereich bietet. Obwohl dies der Schlüssel dazu ist, um die Leistungsfähigkeit der Solarzellen mit den Verarbeitungsbedingungen in Beziehung zu setzen, war es vor dem Projekt SEEWHI nahezu unmöglich, dies zu erreichen. „Wir sind kurz davor, Unterschiede bei einer Auflösung von mehr als 10 nm in 3D zu identifizieren. Vor diesem Projekt kannte man die Nanostruktur organischer Solarzellen nicht aus direkter Betrachtung, sondern lediglich basierend auf dem Modell. Wir wussten einfach nicht mit Sicherheit, welche Struktur die leistungsstärksten Solarzellen hatten“, erklärt Andreasen. Sobald die tatsächliche Nanostruktur dank der Röntgenbildgebung ermittelt ist, kann Andreasen diese Strukturen mit Modellen der Photovoltaik-Leistung und der Molekulardynamik in Beziehung setzen. Das ermöglicht es ihm, die Beziehung zwischen Verarbeitungsparametern und der resultierenden Struktur zu bestimmen. „Wir können dann eine Rückkopplungsschleife einrichten, mit der wir Solarzellen mit einer Nanostruktur, die eine optimale Leistung hervorbringt, herstellen“, beschreibt er. Das Projekt SEEWHI läuft noch ein weiteres Jahr, und die ersten Ergebnisse sind bereits durch und durch ermutigend. Das Team entwickelte insbesondere neue Algorithmen für die 3D-Rekonstruktion von ptychographischen Tomographiedaten. Diese sollen die Abbildung ganzer Solarzellen in 3D mit einer Auflösung von 10 nm ermöglichen, zumindest sobald sie mit einem Synchrotron der vierten Generation kombiniert werden können. „Wir haben noch mehr erreicht“, fügt Andreasen hinzu. „Uns ist erstmals die Charakterisierung einer Kësterit-Solarzelle gelungen. Zudem stehen wir kurz davor, ein Schema fertigzustellen, mit dem wir die optimale Struktur jedes organischen Solarzellenmaterials modellieren können. In Kürze werden wir auch die Verarbeitungsparameter bestimmen können, die zur Realisierung einer solchen Struktur in einer großen Solarzelle erforderlich sind.“ Bis zum Ende des Projekts hofft das Team, eine photovoltaische Modellbildung der von ihnen gemessenen und modellierten 3D-Nanostrukturen demonstrieren zu können. Sollten Synchrotronquellen der vierten Generation bald in der Lage sein, die entsprechenden 3D-Bildgebungsversuche durchzuführen, könnten sie auch die 3D-Nanostruktur einer organischen Solarzelle mit ausreichender Auflösung zeigen, um ihre Donor- und Akzeptordomänen zu unterscheiden. „Ich hoffe, dass es uns gelingen wird, einen Fahrplan bereitzustellen, mit dem Forschende jahrelanges Ausprobieren umgehen und Möglichkeiten, die bislang übersehen wurden, entdecken können. Dies könnte letztendlich zu einem großen Durchbruch führen, nicht nur für organische Solarzellen, sondern für viele Technologien, die auf der Selbstorganisation von Strukturen beruhen, vom Atom bis zur Mesoskala“, beschreibt Andreasen.
Schlüsselbegriffe
SEEWHI, Solarzellen, Photovoltaik, dritte Generation, Perowskit, Röntgenbildgebung, Nanostruktur