Wenn der Lichtstrahl auf ein Sandkorn trifft

Das hört sich nicht nach einem spektakulären wissenschaftlichen Ereignis, sondern nach einem ziemlich alltäglichen Vorgang an. Aber so, wie „Solar Valley“ nicht in Kalifornien, sondern in den mitteldeutschen Ländern Sachsen-Anhalt, Sachsen und Thüringen liegt, so befindet sich die Grundlagenforschung der Silizium-basierten Photovoltaik sowie Photonik nicht am Ziel, sondern teilweise noch immer am Anfang. Wissenschaftler aus Halle (Saale) wollen das ändern.

Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn, Direktor des Fraunhofer IWMH (2.v.l.) und weitere Mitglieder des SiLi-nano-Beirats lassen sich von Doktorand Ulrich Skrzyczak (rechts außen) das Laserlabor erklären.

Die Herstellung der Massenware Solarzelle findet heute auf der halben Welt statt. Die Qualität der meisten Produkte ist vergleichbar, egal, ob sie in Deutschland, China oder Brasilien gefertigt wurden. Selbst in der Bundesrepublik finden sich in den Solarmodulen auf Dächern und Wiesen mehr Produkte der ausländischen Wettbewerber als der renommierten deutschen Hersteller. Dieses Signal kann einerseits als alarmierend, andererseits als motivierend bewertet werden. Diese motivierende Bewertung haben sich bis heute Unternehmer, Politiker, Verwaltungsexperten und Wissenschaftler zu eigen gemacht, die seit nunmehr rund 15 Jahren besonders in der mitteldeutschen Region eine Solarindustrie aus dem Boden gestampft haben, die jetzt an einem Wendepunkt steht.

Der fast unglaublich schnelle Aufbau der Solarindustrie in den vergangenen Jahren wurde zwar kontinuierlich von einer angewandten Industrieforschung begleitet, auf der Strecke blieben aber wissenschaftliche Fragen, die nur durch eine intensive Grundlagenforschung beantwortet werden können. Genau hier scheint auch der Schlüssel für die Zukunft der mitteldeutschen Solarindustrie zu liegen – durch fundierte Forschung einen global einzigartigen Sprung bei Qualität und Effizienz von Technologie, Produkten und Dienstleistungen der Photovoltaik zu erreichen und damit Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit der Solarzellen so zu verbessern, dass Innovation dafür der passende Name ist.

Über den richtigen Weg zu genau diesem Ziel rangen auf einer Beiratssitzung des Zentrums für Innovationskompetenz (ZIK) SiLi-nano® vor allem der Direktor des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik Halle (IWMH) und Sprecher des ZIK SiLi-nano®, Professor Ralf B. Wehrspohn, und Hans-Peter Hiepe, Referatsleiter im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Die Forschungsaufgaben für die kommenden Jahre sind formuliert. Mehr als 20 Nachwuchsforscher aus den Fachgebieten Physik, Medizinphysik, Chemie und Mathematik begeben sich dabei in eine „Zwergenwelt“, in der wichtige Forschungsgegenstände nur wenige milliardstel Millimeter groß sind. Dieses faszinierende Nano-Universum der Kristalle in der Wechselwirkung von Licht und Silizium mit belastbaren Fakten besser zu verstehen, ist eine der Herausforderungen für die Leiter der Nachwuchsforschungsgruppen, PD Dr. Stefan Schweizer und Jun.-Prof. Dr. Jörg Schilling. Sie spüren natürlich die Erwartung an sie und ihre Teams, mit ersten Ergebnissen ihrer Grundlagenforschung auch neue Ideen für Anwendungen z.B. in der Solarindustrie zu liefern. Neue Kooperationen sollen diesen Prozess beschleunigen, zusammen mit der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, der Technischen Universität Bergakademie Freiberg sowie der Technischen Universität Ilmenau strebt das IWMH mit dem benachbarten Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik sowie den Hochschulen in Merseburg und Köthen die forcierte Ausbildung von Wissenschaftlern an, deren Spektrum sich im Forschungsfeld Silizium und Licht fokussieren wird.

Ralf B. Wehrspohn sieht gerade in diesem Fokus die künftige Stärke von Halle als Forschungsstandort für die Silizium-Photovoltaik, wird man doch von hier aus eine neue und äußerst belastbare Brücke von einer exzellenten Grundlagenforschung zur angewandten Industrieforschung bauen. Dabei sei das Fundament in Halle, im Unterschied zu anderen Standorten, die Material- und Materialsystemforschung.

Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsforschungsgruppe „Light to Silicon“ ist es, das neue Gebiet des Photonenmanagements für Solarzellen der dritten Generation zu bearbeiten und theoretisch weiterzuentwickeln. Dabei soll das einfallende Licht so verändert werden, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Diese Lichtmanipulation wird ausschließlich durch Materialien erzeugt, die die eigentliche Solarzelle im Modul umgeben. Auf diese Weise ist eine Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen möglich, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren.

Ziel ist es, fluoreszierende Glaskeramiken durch die geeignete Wahl des Aktivators (seltene Erden) für up- und down-conversion-Anwendungen von Photonen anzupassen. Die Glaskeramiken sind im sichtbaren Spektralbereich optisch transparent und daher ideal geeignete Schichten für die up- und/oder down-conversion.

Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsforschungsgruppe „Silicon to Light“ ist die Entwicklung von effizienten, auf Silizium basierenden oder mit Silizium kompatiblen Mikro-Lichtquellen. Effizienzbegrenzende Faktoren werden gründlich analysiert und verschiedene Konzepte der Nanostrukturierung und Materialmodifizierung im nanoskopischen Bereich kommen zum Einsatz, um eine Effizienzerhöhung zu erreichen.

Letztendlich soll versucht werden, einen elektrisch gepumpten, auf Silizium basierenden Laser mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge zu realisieren. Eine derartige Lichtquelle hat das Potenzial, die auf Silizium basierenden elektronischen Chips zu revolutionieren, indem schnelle Lichtpulse anstelle der konventionellen langsameren Spannungspulse zur Kommunikation zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips verwendet werden. Dies würde eine neue Generation ultraschneller Computerprozessoren erlauben.Es werden mehrere Ansätze für die effiziente Lichtemission und nichtlineare optische Frequenzumwandlung in Silizium-basierten Materialien verfolgt.

 

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