Solarzellen technisch noch längst nicht ausgereizt

Ein Beitrag zum internationalen Jahr der Kristallographie

 

Für die Suche nach neuen, passenden kristallinen Verbindungen nutzen Forscher die Datenbank für anorganische Kristallstrukturen (ICSD) von FIZ Karlsruhe; mit einem Interview von Prof. Dr. Stefanie Dehnen (Universität Marburg).

 

Es ist ein langer Weg von der Grundlagenforschung bis zur Einführung eines serienreifen Produkts auf dem Markt. Für Grundlagenforscher ist es dabei wichtig, Zugang zu verlässlichen und fachlich fundierten Kenndaten zu haben. Die genaue Kenntnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften der gewählten Ausgangssubstanzen ist unabdingbar, um neue Verbindungsklassen zu entwickeln. Aber erst die geschickte und innovative Kombination all dieser Eigenschaften von Substanzen liefert dem Forscher neue Ideen und Anwendungsgebiete, und mit etwas Glück schafft eine neue Substanz auch den Sprung in die industrielle Anwendung.

 

Die Technologie der Photovoltaik ist beispielhaft dafür, wie die Materialgrundlagenforschung fortschreitet und neue Wege geht. Noch bestehen heutige Solarzellen mehrheitlich aus Silizium. Das Material Silizium ist schon lange bekannt und seine kristallinen Eigenschaften sind bestens dokumentiert: In ICSD (Inorganic Crystal Structure Database), der anorganischen Kristallstrukturdatenbank von FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur. Allen Materialen für die Photovoltaik ist eines gemein: Sie bestehen aus Schichten von photoelektrischen Materialien, zu deren Produktion die Kenntnis der kristallinen Eigenschaften unabdingbar ist. Hier ist ICSD eine unverzichtbare Quelle für die Forscher. Sie ist weltweit die größte Datenbank für anorganische Kristallstrukturen mit zurzeit knapp 170.000 Einträgen und geht zurück bis ins Jahr 1913.

 

 

Bild: dreidimensionale Abbildung einer Kristallstruktur, entnommen aus der Datenbank ICSD. Es handelt sich dabei um die kristalline Verbindung Quecksilber-Dirubidiumtetratelluridstannid (HgRb2SnTe4)

 

Die Photovoltaik-Technologie ist noch lange nicht am Ende des Innovationsprozesses angelangt. Seit einigen Jahren werden neben dem Silizium auch neue Kristallsysteme erforscht. Die Grundlagenforschung hat bereits mehrere Material-Kandidaten identifiziert, die Silizium in Zukunft ablösen könnten. Sehr vielversprechend sind dabei Materialien aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen – kurz CIGS genannt. Hierbei handelt es sich um Kristallsysteme  aus den besagten Elementen. Sie könnten das Material der Zukunft für die Photovoltaik sein. Diese zweite Generation an Halbleitermaterialien hat einige Vorteile gegenüber Silizium. Das Material kann hauchdünn auf das Trägermaterial aufgetragen werden und so erschließen sich völlig neue Einsatzorte für die Photovoltaik. Denkbar ist z. B. das Bedampfen von Folien mit einer dünnen Schicht. Mit diesen Solarfolien könnten Häuserwände beklebt werden. Die schweren und dicken Siliziumsolarplatten hätten dann ausgedient. Preislich sind die CIGS-Materialien im Vergleich zu Silizium zwar teurer, aber durch verminderten Materialeinsatz und höhere Wirkungsgrade könnten sie trotzdem ökonomischer sein. Die Beschreibung eines Forschungsprojektes hierzu findet sich im BINE1-Portal von FIZ Karlsruhe unter: http://www.bine.info/themen/erneuerbare-energien/photovoltaik/news/duennschicht-module-guenstiger-produzieren/


Prof. Dr. Stefanie Dehnen von der Philipps-Universität Marburg forscht auf dem Gebiet der Zintl-Phasen wie z. B. Magnesiumsilicid oder Magnesiumsilicidhydrid (MgSi- oder MgSiH-Systeme). Diese haben ebenfalls großes Potenzial als zukünftiges Material für den Einsatz in der Photovoltaik. Sie erläutert ihre Grundlagenforschung im Gespräch und verrät, welche neuen Materialien zukünftig eine wichtige Rolle für die Photovoltaik spielen könnten:

 

FIZ-KA: Frau Prof. Dehnen, Sie sind Lehrstuhlinhaberin für Anorganische Chemie an der Philipps-Universität Marburg. Dort erforschen Sie kristalline Verbindungen, z. B. multinäre Zintl-Phasen, Zeolithanaloga oder funktionalisierte Chalkogenidcluster. 2014 ist das Jahr der Kristallographie und Sie haben in diesem Jahr einen vielbeachteten Artikel mit dem Titel „Von salzartigen Metallen zu maßgeschneiderten Nanoteilchen“ in der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft veröffentlicht. Es geht in der Veröffentlichung auch um neue Anwendungsgebiete für die sogenannten Zintl-Phasen. Sie beschreiben dort eine mögliche Anwendung dieser kristallinen Verbindungen in der Photovoltaik (PV). Glauben Sie, dass in der PV neue Materialien kommen werden, die das Silizium als Hauptmaterial ablösen werden, und warum?

 

Prof. Stefanie Dehnen (SD): Es tauchen immer wieder neue, vielversprechende Kandidaten für die Photovoltaik-Anwendung auf, aber ich wäre vorsichtig mit der Aussage, dass das Silizium in absehbarer Zeit als Hauptmaterial abgelöst werden wird. Andere kristalline Verbindungen wie z. B. Kupferindiumselenid (CuInSe2) oder Cadmiumtellurid (CdTe) haben bessere Wirkungsgrade als das Silizium, sind dafür aber aus toxikologischer Sicht kritischer und auch teuer. Letzten Endes entscheiden vor allem ökonomische Faktoren darüber, ob andere Verbindungen eine Chance haben, vermarktet zu werden. Generell denke ich, dass es zukünftig ein breiteres Angebot geben wird. Neben Silizium wird es auf jeden Fall andere Materialien geben, die spezielle Anwendungen ermöglichen, z. B. extrem dünn auf Trägermaterialien aufgetragene Solarmodule. Eine vollständige Verdrängung des Siliziums wird schon wegen der unvergleichlichen Verfügbarkeit dieses Elements meines Erachtens nicht stattfinden.

 

FIZ-KA: Welche Rolle haben Fachdatenbanken in Ihrem Forschungsalltag?


SD: Wir betreiben fast ausschließlich Grundlagenforschung, bei der die Kristallographie unsere zentrale Analysemethode ist. Fachdatenbanken ersparen uns den zeitraubenden Gang in die Bibliothek, wir können mit Hilfe von Fachdatenbanken schnell die nötigen Informationen zu einer kristallinen Verbindung abrufen.

 

FIZ-KA: ICSD ist eine Fachdatenbank für anorganische Kristallstrukturen. Sie benutzen ICSD. Wo sehen Sie den größten Nutzen dieser Datenbank für Ihre Forschungsaktivitäten?

 

SD: Ja, wir benutzen regelmäßig ICSD und auch CSD (Cambridge Structure Database), sozusagen das (metall-)organische Pendant. Mein Arbeitskreis produziert sehr viele neue kristalline Verbindungen und der erste Schritt ist immer, zu schauen, ob es diese Kristallstruktur schon gibt. In ICSD können wir gezielt nach den Zellparametern suchen und schon früh selektiv eingreifen. Sollte es sich nämlich nach der Recherche in ICSD herausstellen, dass es die Kristallstruktur so schon gibt, stoppen wir an der Stelle die weitere Analytik, und mitunter beeinflusst das auch die Syntheseroute. Das erspart uns sehr viel Zeit und Forschungsarbeit.

 

FIZ-KA: Welche Relevanz hat die Datenbank für Ihren Fachbereich generell?


SD: ICSD spielt eine wichtige Rolle bei uns. Auf der einen Seite können wir gezielt und schnell die Kristalle aussortieren, die schon durch andere Forscher beschrieben wurden und somit bekannt sind. Auf der anderen Seite beziehen wir wichtige Informationen aus ICSD, bevor wir selbst eine Veröffentlichung machen. Wenn wir eine neue Kristallstruktur entdeckt haben, suchen wir in ICSD nach verwandten kristallinen Strukturen, studieren die Veröffentlichungen dazu und zitieren diese dann wiederum in unseren eigenen Publikationen.


FIZ-KA: Könnten Sie auf ICSD verzichten?

 

SD: Nein, wir könnten nicht auf ICSD verzichten. Wir benötigen für unsere Forschungsarbeit die schnell abrufbaren und wissenschaftlich fundierten Informationen. Entscheidend ist auch die Verlinkung der Daten mit den jeweiligen Literaturstellen. Es ist für uns wichtig, nicht nur zu erfahren, ob es die Kristallstruktur schon gibt oder nicht, wir brauchen auch einen einfachen Zugang zu der entsprechenden Literaturstelle, in der die Strukturdaten beschrieben werden. Diese Verknüpfung ist in ICSD gegeben. Die Möglichkeit, dass wir Kristallstrukturen dreidimensional anzeigen können und interaktiv drehen bzw. wenden können, ist optimal. So reicht oft ein Blick aus, um zu entscheiden, ob die abgebildete Struktur relevant ist oder nicht. Das wäre schon schwieriger, wenn nur die Zellparameter und Abstände in numerischer Form gegeben wären.   

 

FIZ-KA: Frau Prof. Dehnen, wir danken Ihnen für das Gespräch.

 

Das Gespräch führte Dr. Babett Bolle, Stabsabteilung Presse und Public Relations bei FIZ Karlsruhe.

Redaktion: HAU/BAB


1 BINE Informationsdienst ist ein Service von FIZ Karlsruhe und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.