Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Aufenthalt im Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin
vom 17. bis zum 28. Oktober 2005
Von Sebastian Müller, Nils Boesel und
Alexander Stracke
Praktikanten am Scanning Force Microscope
In diesen Herbstferien besuchten Sebastian Müller, Nils Boesel und Alexander Stracke im Rahmen der Auricher Wissenschaftstagen das Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin.
Alexander bei der Arbeit an der Glovebox
Das HMI liegt etwas außerhalb von Berlin am Wannsee. Da es auf dem Gelände einen Reaktor gibt, herrschen sehr strenge Sicherheitsvorschriften. Das Gelände ist komplett umzäunt und nur durch eine stark bewachte Zufahrt mit Hilfe einer ID Karte zugänglich. Diese muss man immer sichtbar bei sich tragen.
Fast 300 Wissenschaftler forschen hier an zwei Themenschwerpunkten: die Solarenergie- und Strukturforschung. Wir befassten uns überwiegend mit der Solarenergieforschung.
Jeder kennt die kleinen Siliziumsolarzellen, mit denen Taschenrechner, Armbanduhren, aber auch manchmal ganze Haushalte mit Energie versorgt werden. Saubere Umwandlung von Sonnenlicht zu Strom, doch so umweltverträglich ist diese „alternative Energie" nicht. Schon die Herstellung des Siliziums aus Quarz ist ein sehr energie- und zeitaufwendiges Unterfangen. Daher wird oft mehr Energie zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle benötigt, als während der gesamten Lebensdauer wieder gewonnen werden kann.
Für das Ätzen des Siliziums werden große Mengen Säuren benutzt, die als hochtoxische Schadstoffe entsorgt werden müssen.
Die Kosten für Strom aus Sonnenlicht sind noch immer sehr hoch, so dass man Solarzellen noch nicht als eine effiziente Energiequelle verwenden kann.
Daher versucht man zum Beispiel am HMI Solarzellen mit umweltfreundlichen Materialien und höherem Wirkungsgrad herzustellen.
Während unseres zweiwöchigen Aufenthaltes lernten wir unter anderem die Herstellungsstadien einer Dünnschichtsolarzelle kennen. Wir befassten uns mit verschiedenen Verfahren sehr dünne Schichten auf ein Substrat (z. B. Glas oder Titanfolie) aufzutragen.
Die „Sputtering"-Methode
Sputtern ist ein umweltfreundliches Verfahren, mit dem Ionen Atome aus verschiedenen Materialien herausschießen und diese auf dem Substrat ablagern. Dieser Vorgang geschieht im Vakuum und ist zeitsparend gegenüber anderen Verfahren.
Aufdampfen
Hierbei werden Feststoffe so erhitzt, dass sie in den gasförmigen Zustand übergehen, aufsteigen und sich auf dem darüber liegenden Substrat absetzen.
ILGAR (Ion Layer Gas Reaction)
ILGAR ist ein vom HMI patentiertes Verfahren, das in zwei Schritten durchgeführt wird. Zuerst wird eine Indium-Chlorid Lösung durch Sprühen auf ein erhitztes Substrat aufgebracht, danach wird Schwefelwasserstoffgas über das Indiumchlorid geleitet und reagiert zu Indiumsulfid (In2S3). Dies wird so oft wiederholt, bis man die gewünschte Dicke der Schicht erreicht hat.
Nun müssen Wirkungsgrad und Struktur der Zelle festgestellt werden. Die genaue Struktur haben wir mit dem so genannten Kelvinsondenkraftmikroskop untersuchen können. Hier tastet eine feine Nadel die Oberfläche der Zelle ab. Den Wirkungsgrad der Solarzelle haben wir mit Hilfe eines Sonnensimulators bestimmt, um Materialien und Prozesse, die bei der Herstellung benutzt wurden, zu optimieren.
Nils bei der Einstellung von Kontakten unter dem Sonnensimulator
Der Wirkungsgrad einer Dünnschichtsolarzelle erreicht leider noch nicht den einer Siliziumzelle. Aber die entscheidenen Vorteile sind die niedrigen Kosten, die geringe Dicke und damit auch das geringe Gewicht und die hohe Flexibilität auf einem biegbaren Substrat wie einer Titanfolie. Dies macht die Dünnschichtsolarzelle auch sehr attraktiv für die Raumfahrt. Denn in Zukunft werden insbesondere Komunikationstrabanten viel Energie benötigen, welche mit den leichten Dünnschichtsolarzellen deutlich kostengünstiger gewonnen werden kann.
Dünnschichtsolarzelle
Darüber hinaus lernten wir noch andere Bereiche des Instituts kennen. Prof. Dr. Jie Chen gab uns Einblick in die Entwicklung neuartiger Transistorsysteme, die seiner Meinung nach innerhalb der nächsten sechs Jahre die Herstellung flexibler Monitore ermöglichen werden.
In der Abteilung von Dr. Jie Chen haben wir Ätzvorgänge unter verschiedenen Umständen durchführen können, um die bestmögliche Säurenkonzentration für das Transistorsubstrat zu finden.
Nils und Alexander beim Ätzen einer Probe
Uns hat der Aufenthalt am HMI sehr gut gefallen; wir haben im Gästehaus auf dem Gelände gewohnt und Forscher aus der ganzen Welt getroffen. Nur hätten wir uns gerne selber mehr an der Experimenten beteiligt, was leider oft nicht möglich war. Trotzdem möchten wir uns bei der Abteilung SE2 dafür bedanken, uns einen Einblick in den Forscheralltag ermöglicht zu haben, und können ein Praktikum am HMI anderen Schülern nur empfehlen.