Forschung

Wie wäre es, wenn die Entwicklung von Energiebauteilen mit neuen Funktionen, die der Natur ähneln, nicht nach dem üblichen "cook and look"-Verfahren erfolgt, sondern nach einem genau definierten Fahrplan?

Dies würde sicherlich die Entdeckung neuer Energiematerialien beschleunigen, die als Antwort auf die Energiekrise so dringend erforderlich ist.

Das Ziel der Gruppe ist daher das Re-Design von Energiematerialien mit hervorragenden Eigenschaften, um sie für den Einsatz in der Energieumwandlung und -speicherung in Deutschland und Europa geeignet zu machen. Die Re-Design-Strategie wird bis auf die Ebene der Nanostrukturen umgesetzt und reicht von der kontrollierten Synthese bis zu Funktionen.

Ein großer Vorteil der Gruppe ist die Expertise in der Bestimmung der Zusammensetzung und Struktur bis hinunter auf die atomare Ebene. Mehr noch, diese können mit den funktionellen Eigenschaften abgeglichen werden. Auf diese Weise wollen wir eine universelle Eigenschaftskarte erstellen, die als Leitfaden für die Erreichung einer hohen Materialvielfalt, wie sie in der Natur vorkommt, und schließlich für Bauteile mit herausragenden Leistungen dienen soll.

Aber wie wirkt sich die atomare Umverteilung auf die Funktionalitätenvon Energiematerialien aus?

Abbildung: 3D-Atomumverteilung in Energiematerialien und Bauteile.

So verdoppelt sich beispielsweise der Wirkungsgrad von Cu(In,Ga)Se₂-Dünnschichtsolarzellen, wenn die Absorberschicht mit Alkalien wie Na und Rb dotiert ist. Warum wirkt sich die Dotierung mit Alkalien so positiv auf die Leistung der Zelle aus? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, wie diese Alkalien innerhalb der Zelle bis zur Grenzfläche umverteilt werden. Unsere jüngsten Untersuchungen mit der Atomsondentomographie haben gezeigt, dass Rb und Na hauptsächlich an den Korngrenzen segregiert sind, wie in der 3D-Rekonstruktion unten zu sehen ist. Diese Erkenntnis eröffnete ein neues Forschungsthema in der Gruppe, um die Rolle der Korngrenzen in der Absorberschicht einer Dünnschichtsolarzelle zu verstehen. Die mit der Atomsondentomographie gewonnenen Schlüsselergebnisse werden mit anderen (Mikroskopie-)Techniken abgeglichen, so dass Zusammensetzungs-Eigenschaftsbeziehungen hergestellt werden können.

Abbildung: 3D-Karte, die die Umverteilung von leichten (Na: grün) und schweren (Rb: rosa) Alkalien innerhalb des polykristallinen Cu(In,Ga)Se₂-Absorbermaterials zeigt.