Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Helmholtz-Zentrum Berlin
vom 19. bis zum 30. Oktober 2015
Von Hinrich Janssen und
Ananias Schumacher
Wir, Hinrich Janssen und Ananias Schumacher, bekamen durch das Stipendiatenprogramm der Auricher Wissenschaftstage die Gelegenheit, zwei Wochen – vom 19.10. bis zum 30.10.2015 – am Helmholtz-Zentrum Berlin für Energien und Materialien (HZB) zu praktizieren.
Einer der wichtigsten Forschungsbereiche des HZB ist die Photovoltaik, mit der auch wir uns viel beschäftigten. Es wird versucht, möglichst billige, effiziente oder umweltfreundliche Solarzellen herzustellen.
Am Sonntag, dem 18.10., kamen wir am Lise-Meitner-Campus in Wannsee an und wurden dort im Gästehause einquartiert. Leckeres Frühstück und Mittagessen kann man zu humanen Preisen in der Kantine auf dem Gelände bekommen. Für die Selbstversorgung ist in dem Gästehaus ein Gemeinschaftsraum, in dem man Essen zubereiten kann.
Am erstem Tag fuhren wir mit dem Shuttle nach Adlershof, um dort eine Führung zu bekommen. Uns wurde der Elektronenspeicherring BESSY II gezeigt. Dieser beschleunigt Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und erzeugt somit ein sogenanntes Synchrotronlicht. Die Wellenlängen reichen vom langwelligen Terahertz-Bereich über sichtbares Licht bis zur harten Röntgenstrahlung. Wissenschaftler aus aller Welt kommen, um an BESSY II zu arbeiten.
Ein Silizium-Waver zum Ausmessen
Am Nachmittag gingen wir zu einer Tochtergesellschaft des HZB, dem PVcomB. Diese setzen die Ideen des HZB in größerem Maßstab um. Auch entwickelt diese Firma Absorber, die das HZB anschließend testet.
Dieses Gerät erzeugt x-Ray-Strahlung zum Scannen einer Oberfläche.
In Wannsee beschäftigten wir uns damit, wie man mit Hilfe von X-Ray-Strahlungen die Oberfläche einer Solarzelle genau untersuchen kann. Dies ist wichtig für die Forschung, da man versucht, eine so komplett glatte Oberfläche zu haben, um Reflektionen zu vermeiden, da Licht, welches schon vor dem Auftreffen auf die Solarzelle reflektiert wird, nicht mehr umgewandelt werden kann.
Am Donnerstag verglichen wir eine herkömmliche Silizium-Wafer-Zelle mit einer organischen Solarzelle. Organische Solarzellen sind normalerweise weniger effizient beim Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie, jedoch zeigte sich beim Experiment, bei dem Licht erst durch einen Verdunklungsfilter und dann auf die Solarzelle geworfen wurde, dass bei geringerer Lichtintensität die organischen Zellen den besseren Wirkungsgrad haben.
Organische Solarzellen mit leitender Oxidschicht und Kontakten
Arbeiten in einer Glovebox, in der kein Sauerstoff vorhanden ist
Ein Labor mit Vakuumkammer
Organische Zellen werden entwickelt, damit nicht nur die Energieumwandlung „sauber“ ist, sondern auch die Produktion. Dieser Faktor ist auch der Industrie sehr wichtig. Weitere Vorteile gibt es bei der Entsorgung: organische Stoffe haben keine besonderen Anforderungen. Im Falle eines Brandes besteht auch nicht die Gefahr, dass giftige Stoffe der Solarzelle verbrennen und in die Umgebung oder Atmosphäre gelangen.
Freitag trugen wir eine PEDOT:PSS-Schicht auf eine organische Solarzelle, die auf verschiedene Temperaturen erhitzt wurde. Danach betrachteten wir die Struktur und die Oberfläche unter einem Rasterkraftmikroskop (AFM) mit dem Ergebnis, dass die Temperatur Einfluss auf die Solarzelle hat. Hier besteht ein Zusammenhang mit dem am Anfang genanntem Kriterium, dass versucht wird, eine möglichst glatte Oberfläche zu haben.
Anfang der zweiten Woche kamen wir in eine Arbeitsgruppe, die sich unter anderem damit beschäftigt, Solarzellen billiger herzustellen. Bei den Dünnschichtsolarzellen, an denen auch noch viel geforscht wird, muss Indium als Leiter verwendet werden anstelle von Kupfer, da man ein Material braucht, das besser leitend ist.
Eine Solarzelle wird zum Ausmessen in mehrere kleine unterteilt.
Die vorher präperierte Solarzelle wird ausgemessen.
Bei den herkömmlichen Silizium-Wavern wird Kupfer als Alternative verwendet, jedoch würden diese mit Indium als Leiter besser funktionieren. Da Indium ein sehr teures Material ist, wird geforscht, ob es nötig ist, 99,999 Prozentiges, also extrem reines Indium, zu verwenden. Die Solarzellen, die bei den Experimenten hierzu verwendet wurden, präparierten wir zum Teil selbst und maßen diese am folgendem Tag aus.
Das ILGAR-Verfahren
Am Mittwoch beschäftigten wir uns mit dem ILGAR verfahren. ILGAR steht für Ion-Layer-Gas-Reaction. Hierbei werden Stoffe wie z. B. Gallium, Indium oder Silber verdampft. Dieser Dampf wird über ein System weiter geleitet bis zum Substrat, auf dem sich das Gas absetzt und eine wenige Nanometer dicke Schicht bildet.
Eingesetzt wird dies unter anderem wie folgt: Silber wird auf eine Solarzelle aufgetragen, wodurch kleine Silberpartikel auf der Oberschicht entstehen. Diese streuen das Licht, das auf die Solarzelle auftrifft. Das gestreute Licht kann anschließend zusätzlich von der Absorberschicht in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Dieses Gerät wird verwendet, um zu bestimmen, um welchen Halbleiter es sich handelt.
Am letztem Tag arbeiteten wir mit dem SPV (= Surface Photovoltaic). Bei den Halbleitern unterscheidet man zwischen n-Typ-Halbleitern und p-Typ-Halbleitern. Der n-Typ ist dadurch charakterisiert, dass seine Oberfläche positiv geladen ist, da hier Löcher sind, wo eigentlich Elektronen sein sollten. Also gibt es in der Summe weniger negative Ladungen als positive Ladungen.
Der „bulk“ hingegen ist negativ geladen, da die Elektronen, die auf der Oberfläche fehlen, sich hier befinden. In der Summe sind es hier also mehr negative Ladungen als Positive. Mit dem SPV-Messgerät kann man die Oberflächenladung eines Halbleiters messen. Aus den Ergebnissen kann man schlussfolgern, ob es sich um einen n-Typ oder einen p-Typ handelt. Für eine Solarzelle benötigt man immer beide Typen.
Das Praktikum war für uns eine tolle Erfahrung und bereitete uns Spaß. Die vielen Einblicke, die wir bekamen, waren für uns sehr interessant Hierfür danken wir dem HZB und den Auricher Wissenschaftstagen.