Wissenschaftler der Uni Halle forschen an neuen Materialien für Solarzellen

Silizium für Solarzellen könnte in Europa künftig knapp werden, deswegen braucht es eine Alternative: Neuartige Dünnschichtsolarzellen stehen im Zentrum des internationalen Forschungsprojekts „Starcell“, an dem auch Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) mitarbeiten. Die Europäische Union (EU) fördert das Projekt, das unter Federführung des katalonischen Instituts für Energieforschung steht, für drei Jahre mit rund 4,8 Millionen Euro. Davon fließen rund 380.000 Euro an die MLU. Die Mittel stammen aus dem EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation „Horizon 2020“.

Seit einigen Jahren suchen Wissenschaftler nach alternativen Materialien für Solarzellen, die ungiftig und in großen Mengen verfügbar sind. Der Hintergrund: Die EU hat einen Katalog mit sogenannten kritischen Rohstoffen erstellt. Darin sind die Stoffe enthalten, die weltweit oder zumindest im EU-Raum künftig knapp werden könnten. Auf der Liste stehen auch einige Elemente, die für die Herstellung von Solarzellen wichtig sind: Indium, Gallium, Tellur und sogar Silizium. Das Projekt „Starcell“ hat deshalb das Ziel, eine Dünnschichtsolarzelle zu entwickeln, die aus ungiftigen und breit verfügbaren Alternativen besteht. Eine entscheidende Rolle spielt dabei Kesterit, das seit den 2000er Jahren intensiv erforscht wird. Insgesamt 15 Forschungseinrichtungen und Universitäten aus Europa, Asien und den USA arbeiten gemeinsam in dem Millionenprojekt.

„In der Vergangenheit hat die Entwicklung neuer Solarzellen bis zur technologischen Anwendung mehrere Jahrzehnte gedauert“, sagt Prof. Dr. Roland Scheer vom Institut für Physik der MLU. Seine Arbeitsgruppe erforscht seit Langem Kesterit als möglichen Baustoff für Solarzellen. Über die EU-Förderung sollen die Grundlagen geschaffen werden, um die Kesterit-Solarzellen schneller in den Markt einführen zu können. Dafür müssten aber noch einige Hürden überwunden werden, wie Scheer sagt: „Der Laborwirkungsgrad dieser Solarzellen liegt derzeit bei 13 Prozent – das ist noch viel zu wenig für den industriellen Einsatz. Hier wären mindestens 18 Prozent nötig.“ Außerdem müssten die Materialeigenschaften des Stoffes noch weiter erforscht werden, um gezielte Veränderungen vornehmen zu können.

In der Fachgruppe Photovoltaik leisten Scheer und seine Mitarbeiter seit Jahren hoch angesehene Grundlagenforschung auf diesem Gebiet: Sie lassen Kesterit-Kristalle im Labor wachsen und untersuchen diesen Prozess mit modernen Röntgenmaschinen in Echtzeit. „Dadurch können wir den Kristallen beim Wachsen zuschauen“, so Scheer weiter. Gleichzeitig lasse sich die Struktur und Zusammensetzung der Kristalle im Labor steuern, erforschen und so auch optimieren. Außerdem sind die halleschen Wissenschaftler Experten auf dem Gebiet der Computer-gestützten Simulation von Bauelementen. Mit Hilfe dieser Simulationen können Änderungen in den Materialeigenschaften sowie im Bauelementdesign schon frühzeitig bewertet werden. So lässt sich überprüfen, ob sie eine Verbesserung des Wirkungsgrads mit sich bringen.