Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Helmholtz-Zentrum Berlin
vom 7. bis zum 18. Oktober 2013
Von
Norman Niemann und Hoang Anh Nguyen
Wir, Norman Niemann und Hoang Anh Nguyen, haben über die Auricher Wissenschaftstage die Möglichkeit bekommen, ein 2-wöchiges Praktikum am Hahn-Meitner-Institut im Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie zu absolvieren.
Hoang Anh Nguyen
Norman Niemann
In den zwei Wochen unserer Herbstferien haben wir in das Alltagsleben von Forschern (Doktoren, Professoren, Dipl.-Ingenieure, aber auch Doktoranden und Studenten) verschiedener Arbeitsgruppen reinschnuppern können. Dabei durften wir selbst in Labors tätig werden und bei den Experimenten mithelfen oder sie sogar eigenständig durchführen.
Der Lichtwellensimulator – ein Eigenbau des HZB
In insgesamt 4 unterschiedlichen Arbeitsgruppen durften wir mitarbeiten. In jeder wurde entweder nach einer Verbesserung der Effizienz von Solarzellen oder einer Methode zur Herstellung von Solarzellen in größerer Form und Menge gesucht. Wir durften zunächst einen Einblick in die forschenden Gruppen nehmen und bei Messungen mitwirken. Nach einer Einweisung zu einem Lichtwellensimulator haben wir anschließend Präparate bekommen, die wir untersuchen mussten. Diese Präparate wurden vorher noch nicht geprüft, das bedeutet, uns wurde Vertrauen geschenkt und wir durften mit einem Computer und einer vom HZB selbstgebauten Apparatur alleine arbeiten.
Die Messwerte sollten wir anschließend in eine Excel Datei überführen. Unsere Messergebnisse wurden dann in eine Präsentation einer Doktorin unserer Arbeitsgruppe eingebaut.
Oben das unbeschichtete, unten das beschichtete Substrat
Nach den Messungen haben wir uns die oberste Schicht der Solarzellen unterm SEM (Scanning Electron Mikroskop) anschauen können, auf der man eine Fläche von Nanostäbchen erkennen konnte, die die Effektivität der Zellen erhöhen sollen. In den nächsten Tagen konnten wir die aus Zinkoxid bestehenden Nanostäbchen noch näher kennenlernen und selbst welche auf Testsubstraten wachsen lassen.
Nach Verlassen der praktischen Gruppe gelangten wir in eine Gruppe mit mehr theoretischen Physikthemen. Während ein Aufbau zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit eines Präparates nebenbei erledigt werden musste, beschäftigten wir uns mit der Welt der Physik und Chemie. Woraus bestehen Stoffe eigentlich? Was sind Leiter, Nichtleiter und vor allem Halbleiter? Und wieso können wir durch Fenster schauen? All dies wurde uns zunächst einmal mit Stift und Papier erklärt und wir haben viel Interessantes dazugelernt, das schon zu Erstaunen führte: Denn die Modelle, die wir kennen, sind noch längst nicht differenziert genug. Nachdem der Aufbau zwei Mal scheiterte und einmal so erheblich, dass das Labor sogar kontaminiert wurde, konnten wir endlich erste Bilder zur Oberflächenbeschaffenheit eines Präparates sehen:
Eine Präparat im Vakuum (bei 10-6 Pa)
Und das Erstaunliche: Die Messungen zeigten uns auf einer winzigen Fläche Unebenheiten. Es gibt demnach keine vollkommen glatten und ebenen Flächen.
Der Aufbau eines organischen Stoffes im Modell
Bei einem Dipl.-Ing. durften wir uns zusammen mit einer ausländischen Doktorandin auch die Herstellung einer Hybridsolarzelle ansehen.
Was eine Hybridsolarzelle ausmacht, ist das Material, das verwendet wird. Anstelle von nur anorganischen Metallen/Halbleitern verwendet man hier zusätzlich organische Stoffe, die allerdings leicht mit der Luft reagieren können. Aus diesem Grund werden diese Solarzellen unter Luftabschluss hergestellt und müssen in einer Stickstoffatmosphäre gelagert werden. Ein aufwändiger Prozess für Solarzellen, die später auch noch marktfähig sein sollen.
Im Laufe unseres Praktikums konnten wir miterleben, dass die Forschung nie ohne Misserfolge abläuft. Wir wurde bereits damit gewarnt, dass ca. 95% aller Versuche nicht funktionieren oder nicht das gewünschte Ergebnis liefern und man wirklich optimistisch bleiben muss, um als Forscher nicht frustriert zu werden. Denn die meisten Versuche scheitern alleine daran, dass man gar nicht ohne äußeren Einfluss von Luft (selbst wenn es nur noch wenige Atome sind), Druck und falscher Handhabung anderer Forscher arbeiten kann. Als gutes Beispiel kann man anführen: Man kann (noch) kein absolutes Vakuum in einem Raum auf der Erde erzeugen.
Kleinversuch
In der zweiten Woche konnten wir schließlich in einem Team arbeiten, welches darauf spezialisiert ist, Pufferschichten für Solarzellen in der Industrie umzusetzen. Uns wurden die Prozesse dazu auch schön veranschaulicht. Zunächst haben wir uns die Herstellung einer Pufferschicht in einem kleinen „Schülerexperiment“ angesehen. Mit einfachsten Materialien, die man sogar im Schullabor findet, ist es möglich für Solarzellen diese effizienzsteigernde Pufferschicht herzustellen. Nur wie kann man einen Kleinversuch nun in groß umsetzen?
Für die Forscher war dies kein leichtes Spiel. Sie mussten damit kämpfen, eine Maschine zu bauen, die nach Fließbandschema funktioniert und keine Fehler macht. Und laut Erzählung war schon der erste Prototyp ein Fehlschlag: Falsche Berechnungen, falsches Material verwendet, ein Sprung in der Maschine und schon musste eine Reparatur und eine neue Idee her. Bis die Maschine den Herstellungsprozess dann endlich richtig gleichmäßig vollziehen konnte, bedurfte es viel Geduld und vieler Versuche. Nun ist es endlich möglich industriell Pufferschichten herzustellen, nur versucht man weiterhin noch materialsparender und effizienter bei Herstellung und Funktion zu werden. (Und hier gilt wieder: Ruhe bewahren, sich bloß nicht frustrieren lassen, wenn mal wieder was schief läuft.)
Pufferschichtuntersuchung
Natürlich müssen auch die Pufferschichten auf ihre Effizienzsteigerung geprüft werden. Dafür haben wir zunächst die Proben unter dem SEM (Elektronenmikroskop) untersucht und dann Messungen mit einem anders aufgebauten Lichtwellensimulator machen dürfen. Das Interessante hierbei: Wir wurden einer Gruppe zugewiesen, in der keine Person Deutsch spricht. Hier wurde unser Schulenglisch mit ein wenig Fachvokabular ergänzt. Die Kommunikation lief jedoch reibungslos und auch mal etwas über das Leben dieser ausländischen Forscher zu erfahren war sehr interessant!
Aufbau Elektrolyse
Die letzte Gruppe führte uns dann noch einmal in verschiedene Labore ein. Wir haben uns einen kleinen Aufbau einer Elektrolyse und der Messung angesehen, haben selber mit Arbeitsgeräten wie Glasschneider und Luftdruckreiniger arbeiten dürfen und durften wieder Versuche selbst aufbauen (natürlich dieses Mal unter Beaufsichtigung eines Laboranten, schließlich arbeiteten wir mit Chemikalien). Sehr toll war auch, dass wir mithilfe einer vorgegebenen Formel errechnen sollten, wie dick die aufgetragene Schicht werden wird. Natürlich wurde uns eine Schwierigkeit gestellt: Angaben selber heraussuchen, Formel algebraisch umstellen …
Ein Präparat unter dem Sonnensimulator
Außerdem zeigte man uns, nachdem wir vom Lichtwellensimulator erzählt haben, noch den Sonnensimulator, der dann nicht nur eine bestimmte Lichtwelle pro Messung erzeugt, sondern das ganze Lichtwellenspektrum mit der Intensität, wie die Sonne sie auf die Erde projiziert. Mit dem Sonnensimulator durften wir weitere Proben auf ihre Effizienz messen, und zwar abhängig von ihrem Alter und ihrer Lagerung.
Zum Schluss haben wir noch die Funktionen einzelner Gerätschaften näher betrachtet und erklärt bekommen. Hierbei haben wir auch sehr interessante sichtbare Effekte sehen können.
Ein Argonplasma zur Reinigung metallischer Oberflächen
Wir bedanken uns noch einmal bei den Auricher Wissenschaftstagen und beim Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie, die uns das Schülerpraktikum ermöglicht haben, und empfehlen jedem Schüler bei Interesse an Forschung und Entwicklung die Auricher Wissenschaftstage als eine Überlegung und Chance anzusehen.