Das Solarzeitalter beginnt jetzt

Photovoltaik-Module kennt jeder. Sie sind unglaublich billig geworden und werden in riesigen Stückzahlen hergestellt. Übrigens nicht verwechseln: Mit Photovoltaik-Modulen wird Sonnenlicht nicht in warmes Wasser, sondern primär in elektrische Energie umgewandelt. Um zu verstehen, wie das funktioniert, braucht man schon ein bisschen Thermodynamik und sehr viel Halbleiterphysik. Das alles lernt ihr in unserer Vertiefung „Photovoltaik“ im Masterstudium Physik.  Aber warum braucht es  überhaupt noch Photovoltaik-Forschung, wenn es Solarmodule bereits auf dem Markt gibt?

Heutige Photovoltaik-Module haben Wirkungsgrade um 20%. Das ist schon sehr viel, vor allem wenn man bedenkt, dass eine Pflanze typischerweise nur einen Wirkungsgrad von 1% besitzt. Aber erstens könnten Photovoltaik-Module noch viel effizienter sein (theoretisch bis 85%) und zweitens könnten sie noch billiger und noch umweltverträglicher werden. Dazu werden moderne Konzepte wie z.B. Nanostrukturierung und Photonenmanagement erforscht. Selbst neuartige Halbleiter werden erprobt. Es gibt also noch viel zu lernen und zu tun. Denn das Solarzeitalter beginnt erst jetzt.

Trefft engagierte Wissenschaftler in Forschung und Lehre

Die insgesamt vier Fachgruppen mit Themen zur Photovoltaik am Institut für Physik und am Fraunhofer Institut für Siliziumphotovoltaik (Fraunhofer CSP) bilden deutschlandweit ein Zentrum für Photovoltaikforschung.

… einführenden und weiterführenden Themen zur Photovoltaikforschung …

Alles in allem forschen mehr als 40 Postdocs, Doktoranden, Master- und Bachelorstudenten an aktuellen Fragestellungen der Photovoltaik. Dabei gibt es anwendungsnahe Themen, die zusammen mit der Industrie bearbeitet werden, und grundlegende Themen, die vielleicht erst in etlichen Jahren eine Anwendung finden. Die Professoren der folgenden Fachgruppen bieten eine breite Palette an einführenden und weiterführenden Themen zur Physik der Solarzelle in ihren Vorlesungen für Euch an.

Wenn man heute Solarzellen und Solarmodule sieht, so sind sie meist blau und reflektieren unter flachem einfallenden Winkel relativ stark. Wir arbeiten dran, perfekt schwarze Solarzellen für alle Einfallswinkel mittels des Photonenmanagements zu designen und herzustellen. Ein weiteres Thema ist metallurgisches, also sehr schmutziges aber dafür extrem günstiges Silizium als elektronisches Material für die Photovoltaik zu etablieren.
 
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Dünnschicht-Solarzellen haben den Vorteil geringeren Energieverbrauchs bei der Herstellung und lassen sich besonders gut in Gebäude integrieren. Man spricht von der 2.Generation  von Solarzellen. Verschiedene Firmen in Deutschland und weltweit erforschen und produzieren bereits Dünnschicht-Solarmodule. Die Fachgruppe Photovoltaik am Institut für Physik beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung von etablierten und neuartigen Halbleitern für Dünnschichtsolarzellen. Dabei stellt sie komplette funktionsfähige Solarzellen her und untersucht deren Eigenschaften. Ziele sind höhere Effizienz, noch geringere Schichtdicken und ungiftige, verfügbare Materialien.
 
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Die Forschung konzentriert sich insbesondere auf die Erhöhung des generierten Photostroms und die Verringerung der Bandlücke von Materialien, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. So soll ein neues Kapitel der Photovoltaik eröffnet werden, das durch eine gezielte Kontrolle der Photoantwort charakterisiert sein wird. Eine gezielte Modifikation der ferroelektrischen und multiferroischen Materialien zielt dabei auf eine deutliche Verbesserung der Nutzbarkeit des Anomalen Photovoltaischen Effekts.
 
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Die Rückführung der Wertstoffe von Photovoltaik-Modulen nach Ablauf ihrer Lebensdauer stellt einen wichtigen Faktor der Energiewende und der Ressourcenplanung dar. Am Fraunhofer CSP werden neue Verfahren erprobt, um Wafer- und Zellschrott aufzureinigen, Trennprozesse aufzubauen und insbesondere das Solarsilizium wieder dem Stoffkreislauf zuzuführen. Hierzu stehen spezielle Aufschmelzanlagen zur Verfügung, welche über Induktionsheizung schnelle Aufheiz- und Abkühlprozesse erlauben.
 
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Sei Teil unseres Forschungszentrums: interdisziplinär und von überregionaler Bedeutung

Die Photovoltaik in Halle hat umfangreiche Förderung beim Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF) eingeworben.

Die entsprechend gute Ausstattung könnt auch Ihr […] während der Praktika und der Masterarbeit […] nutzen.

Die finanzielle Unterstützung gab und gibt uns die Möglichkeit zusätzliche Mess- und Rechentechnik zu beschaffen. Die entsprechend gute Ausstattung könnt auch Ihr als Masterstudenten während der Praktika und der Masterarbeit in den einzelnen Arbeitsgruppen nutzen.

Die folgenden experimentellen und theoretischen Methoden kommen bei der Untersuchung zum Einsatz.

  • Rasterelektronenmikroskopie
  • Gasphasenabscheidung im Vakuum
  • Röntgendiffraktometrie
  • Zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektroskopie
  • Lithographie
  • Raman- und Infrarotspektroskopie