Neue Solar­tech­nik für die Ener­gie­wen­de

Dr. Michael Zürch vom Institut für Optik und Quanten­elektronik der Uni Jena untersucht in seinem neuen Projekt Halb­leiter­materialien, die Silizium in Solar­modulen ablösen könnten. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)

Weniger als zwei Grad soll sich die Erde im Vergleich zur vor­industri­ellen Zeit erwärmen. So sieht es das Pariser Klima­abkommen von 2015 vor. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten weltweit die Emis­sionen klima­schädlicher Treib­haus­gase dras­tisch reduziert werden. Das wiederum setzt eine globale Energie­wende voraus: fossile Brenn­stoffe wie Öl, Gas und Kohle müssten weitgehend durch erneu­erbare Energie­träger ersetzt werden.

So weit, so gut. Bekannter­maßen hapert es jedoch an der Umsetzung der Klima­ziele. Und das sei nicht allein fehlendem politi­schen Willen geschuldet, ist Michael Zürch überzeugt. „Die Energie­wende ließe sich mit Sicher­heit beschleunigen, wenn wir bei­spiels­weise bessere Solar­technik hätten“, sagt der Physiker, der an der Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena promo­viert wurde und seit 2015 an der UC Berkeley geforscht hat. Er verweist darauf, dass heute einge­setzte Solar­module auf Silizium-Basis einen Wirkungs­grad von maximal zwanzig Prozent haben. Anders ausge­drückt: Rund drei Viertel der Sonnen­energie lässt sich mit den heutigen Modulen über­haupt nicht nutzen. „Wir brauchen Alter­nativen zu Silizium, die eine effi­zientere Umwand­lung von Sonnen­energie in Strom ermög­lichen“, so Zürch.

Diese Alternativen hat Zürch in den kommenden vier Jahren intensiv im Blick: Mit Kollegen am Lehr­stuhl für Quanten­elektronik der Uni Jena sowie mit franzö­sischen und US-amerika­nischen Partnern startet er am 1. Juli sein Forschungsprojekt „Quest for Energy“. Der Deutsche Akade­mische Austausch­dienst fördert das Vorhaben im Rahmen der deutsch-franzö­sischen Forschungsinitiative „Make our planet great again“ bis 2022 mit knapp einer Million Euro.

Zweidimensionale Halbleiter­nanomaterialien sollen Silizium ablösen

Eine vielversprechende Material­klasse, die Silizium in Solar­modulen ablösen könnte, sind Halb­leiter­nano­materi­alien, wie Christian Spiel­mann erläutert. „Diese nur wenige Atom­lagen dünnen zweidimen­sionalen Schichten besitzen ganz außerge­wöhnliche optische und elektro­nische Eigen­schaften, die sie als Halb­leiter bestens geeignet machen“, so der Physiker, in dessen Team Zürchs Projekt nun ange­siedelt ist. Bekann­testes Beispiel solcher 2D-Nano­materi­alien ist Graphen. Die Jenaer Physiker wollen jedoch eine neue, bislang kaum unter­suchte Klasse dieser Materi­alien unter die Lupe nehmen: Über­gangs­metall-Dichal­co­ge­nide.

„Dabei handelt es sich um Verbundmaterialien, die je nach Zusammen­setzung in ihren Eigen­schaften variieren und so für verschiedene Anwen­dungen maßgeschneidert werden könnten“, erläutert Zürch. Allerdings sei bisher nur wenig über die funda­mentalen Vorgänge in diesen Materialien bekannt, wenn sie mit Licht wechsel­wirken. Aufgrund ihrer speziellen Nano­eigen­schaften laufen die physika­lischen Prozesse in diesen Materi­alien besonders schnell ab. Diese wollen die Physiker nun im Detail untersuchen, um ihre Eignung als Solarmaterial zu prüfen. „Uns geht es konkret darum, die Ladungs­träger – sprich die Elektronen – in dem Material zu beobachten, wenn sie mit Licht beleuchtet werden.“ Das soll mit Hilfe eines leistungs­fähigen Ultrakurz­pulslasers passieren, der die extrem schnellen Bewegungen der Elektronen in Moment­aufnahmen von wenigen Hundert Atto­sekunden Länge erfasst.

Die Arbeit der Jenaer Physiker sei zunächst „lupen­reine Grundlagen­forschung“, wie Zürch erklärt. „Doch lang­fristig können wir so viel­leicht den Weg für einen ziel­gerich­teten Einsatz solcher Verbund­materialien in der Solartechnik ebnen und die Energie­wende tatsächlich voran­bringen.“ (Quelle: FSU)

Link: Lehrstuhl Quanten­elektronik (C. Spielmann), Institut für Optik und Quanten­elektronik IOQ (M. C. Kaluza), Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena

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