Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Helmholtz-Zentrum Berlin
vom 22. Oktober bis zum 2. November 2012
Von
Arne Lindner und Jonas Peters
Wir haben uns einen Tag lang damit beschäftigt, unter einem Sonnensimulator Solarzellen auf ihren Wirkungsgrad hin zu testen. Der Sonnensimulator simuliert, wie der Name schon sagt, das Sonnenlicht mit all seinen Wellenlängen und somit kann der Wirkungsgrad der Solarzellen relativ realitätsnah gemessen werden. Beim Messen der winzig kleinen Solarzellen muss darauf geachtet werden, dass die noch kleineren Kontakte richtig mit den Kontaktnadeln getroffen werden.
Wir haben ca. 90 Solarzellen gemessen, die jeweils zu 30 Stück auf einer Platte aufgetragen waren und dabei teilweise Spitzenwerte von 15% Wirkungsgrad ermittelt.
Das HZB beschäftigt sich damit, neben den typischen anorganischen Solarzellen organische Solarzellen herzustellen. Dabei basiert der Absorber, der das Sonnenlicht absorbieren soll, auf organischen Substanzen. Diese organischen Substanzen haben die negative Eigenschaft mit Luft und Wasser zu reagieren. Deshalb können sie nur unter Ausschluss dieser Medien bearbeitet werden. Dies funktioniert mit Hilfe der so genannten Glove-box.
Dies ist eine Box aus Glas, in der mithilfe von anderen Gasen die Luft und das Wasser verdrängt werden können. Mit Hilfe zweier angebrachter Handschuhe ist es so möglich, die organischen Solarzellen in der Box zu bearbeiten. Es wurde dort der Wirkungsgrad gemessen und es wurden Möglichkeiten getestet, diese Solarzellen zu verkapseln, sodass Luft und Wasser nicht mehr in Berührung mit ihnen kommen, was vonnöten ist, wenn man sie später draußen aufstellen möchte um Energie zu erzeugen.
Um die empfindliche Dünnschichtsolarzelle vor Staub und Wasser zu schützen, haben wir versucht, diese mit Teflon zu beschichten. Hierzu haben wir die Probe in einer Art Zentrifuge, bei der die Fliehkraft genutzt wird, um überschüssige Flüssigkeit von der Probe zu entfernen, eingespannt. Dann haben wir auf der Probe ungefähr 200 Mikroliter gelöstes Teflon verteilt und die Probe mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, einmal 3500 und einmal 5000 Umdrehungen in der Minute, gedreht, um den Überschuss an Teflon von der Probe zu entfernen und eine gleichmäßig dicke Schicht zu erhalten.
Ein weiterer Grund für die beiden unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten und die unterschiedlichen Mischungsverhältnisse von Teflon und Lösungsmittel ist, dass wir auch den optimalen Mittelweg zwischen Schutz durch das Teflon und gleichzeitig Lichtdurchlässigkeit für eine bessere Stromerzeugung finden wollten. An dieser Forschungsreihe wird weiter geforscht werden, da die Beschichtung mit Teflon schon Fortschritte bringt, wir die optimale Mischung aber noch nicht gefunden haben.
Nachdem wir das Teflon in verschiedenen Dicken und Konzentrationen auf das Trägermedium (Glas) aufgetragen hatten, war unsere Aufgabe zu schauen, wie sich das Teflon auf die Transmission, die Reflexion und die Absorption einer Solarzelle auswirkt.
Da diese Werte von Glas bekannt sind, kann man die exakten Werte des Teflons bestimmen. Dies geschieht mit einem Gerät, welches ein breites Spektrum von Licht erzeugen kann, das mithilfe von mehreren Umlenkspiegeln auf das Glas mit dem Teflon geworfen wird. Das Substrat wurde dabei erst vor einer kleinen weißen Kammer (1) angebracht, in der mehrere Sensoren den Lichteinfall gemessen haben. Da das Substrat vor der Kammer war (2), haben wir so als erstes die Transmission ermitteln können. Danach wurde das Substrat hinter der Kammer angebracht (3) und das Licht durch eine kleine Öffnung in der Kammer bis auf das Substrat gelenkt. So haben die Sensoren gemessen, wie viel Licht reflektiert wurde.
Nachdem wir auch diese Werte hatten, konnten wir durch einfache Subtraktion die Werte der Transmission und Reflexion von der eingebrachten Lichtmenge abziehen und haben dadurch auch die Absorption ermitteln können. Heraus kam, dass das Teflon mehr oder weniger keinen Einfluss auf diese Parameter hat, und es deshalb sehr wahrscheinlich weiter verwendet wird, sobald die genaue Dosierung ermittelt wurde.
Bei der Arbeitsgruppe „ILGAR“ haben wir gesehen, wie versucht wird, eine möglichst dünne „Pufferschicht“ möglichst effizient und in Fließbandarbeit aufzutragen, indem das aufzutragende Material zuerst per Ultraschall vernebelt wird und dann durch Stickstoffgas zum erhitzten Substrat geleitet wird, wo es sich schließlich absetzt.
Auf den genauen Aufbau wie auf die verwendeten Materialien gehen wir nicht genauer ein, da diese gewissermaßen ein Betriebsgeheimnis sind. Das Foto ist lediglich ein Modell zur Veranschaulichung des Prinzips.
Am Raster-Elektronen-Mikroskop (kurz REM) haben wir eine besondere Solarzelle eines anderen Instituts untersucht. Dazu haben wir die Probe gebrochen, um eine frische Bruchkante zu erzeugen. Dann haben wir die Solarzelle mit der Bruchkante nach oben in einem Objektträger fixiert und im REM montiert. Dort wurde die Probe mit einem gezielten Elektronenstrahl beschossen. Doch um zu verhindern, dass die Luft ionisiert wird, muss das Untersuchen der Probe im Hochvakuum stattfinden. Durch das Untersuchen der Probe konnten wir eine winzige Struktur, die in die Oberfläche der Solarzelle eingearbeitet worden war erkennen. Es handelte sich um kleine negative Pyramiden, die jeweils etwa zwei Nanometer tief und breit und in einem Raster angeordnet waren.
Die Oberfläche war zudem mit einer Zink-Aluminium-Schicht überzogen. Neben dem Darstellen der Oberfläche im Nanometerbereich konnte man mit dem REM auch die Zusammensetzung der Probe untersuchen, indem man die vom Objekt zurückgeworfene Strahlung gemessen und analysiert hat.
Zum Schluss möchten wir uns bei Herrn Antony und Frau Groen recht herzlich bedanken, dass sie uns dieses sehr interessante und aufschlussreiche Praktikum ermöglicht haben, außerdem noch bei den vielen Betreuern, die sich im HZB sehr viel Mühe gegeben und sehr viel Zeit geopfert haben, um uns alles genau zu zeigen und zu erklären. Wir können ein Praktikum bei diesem Institut in Berlin nur empfehlen und raten jedem, der diese Chance auch bekommen sollte, nicht lange zu überlegen und sie wahrzunehmen.