Energieforschungszentrum Niedersachsen öffnet neue Horizonte für Zinkoxid

(Düsseldorf, 28.07.2010) "Neugier ist der stärkste Antrieb": So lautet das Motto des Wissenschaftsjahres 2010, das sich der Zukunft der Energie widmet. Im Mittelpunkt stehen dabei neue Ansätze in der Energieforschung weltweit und vor allem die Arbeit der deutschen Forscherinnen und Forscher in diesem Bereich. Diese suchen nach einer umweltverträglichen und effizienten Nutzung verschiedener Energieträger, neuen Energieformen und Ressourcen. Einer von ihnen ist Professor Wolfgang Schade, Institut für Energieforschung und Physikalische Technologien an der TU Clausthal und Mitglied im Vorstand des Energieforschungszentrums Niedersachsen (EFZN). Unter seiner Leitung wird derzeit im Rahmen der Projekte NEPHOS und NanoSol an Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Sonnenlicht mithilfe des Halbleiters Zinkoxid gearbeitet.

Regenerative Energiequellen sollen die Stromversorgung auch unabhängig von Öl oder Kohle sichern. Neben der Windenergie kommt in Deutschland vor allem auch der Solarenergie große Bedeutung zu. Doch die bisher verwendeten Solarzellen haben entscheidende Nachteile: "Bisher werden Solarzellen auf Siliziumbasis erstellt. Der Energieaufwand für den Herstellprozess ist ziemlich groß, während der Wirkungsgrad dieser herkömmlichen Solarzellen relativ klein ausfällt: Nur 15 Prozent des Lichts werden in Strom gewandelt", erläutert Professor Schade. "Außerdem ist hochreines Silizium teuer und nicht beliebig vorhanden. Vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und mit dem Ziel, die Kosten für Solartechnik zu senken, suchen deshalb Wissenschaftler weltweit nach billigeren und energieeffizienteren Alternativen zu Silizium-Solarzellen."

Ziel des Projekts "NanoSol" ist es, neuartige Weißlichtquellen und photovoltaische Elemente mit optimiertem Wirkungsgrad zu entwickeln - und zwar auf der Grundlage von geeigneten Polymerbeschichtungen und Zinkoxid-Nanodrähten. Zinkoxid ist ein für den Menschen nicht toxischer Halbleiter mit großer Bandlücke, der im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien eine sehr effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung aufweist. In den letzten Jahren wurden Zinkoxid-Nanodrähte entwickelt, die einen Durchmesser von bis zu Hundert Nanometern und mehreren Mikrometern Län ge haben. Diese Nanodrähte sind einkristallin und weisen je nach Herstellungsverfahren eine mehr oder weniger hohe n-Dotierung auf. Damit begünstigt das Material die Elektronenleitung in optoelektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Solarzellen.

Effizientere Solarzellen auf Basis von polymerbeschichteten Zinkoxid-Nanodrähten
Allerdings ist die stabile und reproduzierbare p-Dotierung von Zinkoxid ein noch ungelöstes Problem. Da aber pn-Übergänge - also die veränderte Leitfähigkeit durch freie Elektronen oder Löcher - und verwandte Strukturen die Voraussetzung für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen bilden, müssen andere Wege gefunden werden. Forschungstätigkeiten in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass mit der sogenannten Vapor-Liquid-Solid-(VLS-)Methode oder mittels Elektrodeposition Nanodrähte mit hervorragenden optischen Eigenschaften hergestell t werden können. Der Clausthaler Ansatz richtet sich dabei auf eine Materialkombination aus Zinkoxid-Nanodrähten, die mit lichtabsorbierenden Polymeren beschichtet sind. Dadurch kann die gesamte Oberfläche der Nanodrähte als aktive Fläche der Solarzelle verwendet werden. Das Besondere an den verwendeten Werkstoffen: Sie sind einfach zu beschaffen.

"Im Vergleich zur konventionellen Siliziumtechnologie handelt es sich hierbei um sehr effiziente Prozesse. Dadurch ist es möglich, extrem kostengünstige Bauelemente mit Wirkungsgraden im einstelligen Prozentbereich herzustellen. Silizium-Solaranlagen können heute zwar auch schon Werte von circa 18 Prozent erreichen - auf der anderen Seite stehen jedoch die damit verbundenen hohen Herstellungs- und Materialkosten. Wir versprechen uns von den Ergebnissen des NanoSol-Projekts wirtschaftlichere Solarzellen, deren Konzept in der Umkehrung dann auch auf Weißlichtquellen übertragbar ist", so Professor Schade.

Während bei einer gewöhnlichen Lampe etwa 70 bis 80 Prozent der eingesetzten Energie in Wärme und der verbleibende Rest in Licht gewandelt wird, sollen bei dem mit NanoSol angestrebten Konzept nahezu 100 Prozent der eingesetzten Energie auch tatsächlich für die Beleuchtung umgesetzt werden. Der exakte Wirkungsgrad ist allerdings bisher noch nicht ermittelt und daher auch Gegenstand des NanoSol-Projekts. "Bei entsprechendem Erfolg werden die Ergebnisse dieses Projekts unter anderem dazu beitragen, den Kohlendioxideintrag in die Atmosphäre durch den Ausbau effizienter regenerativer Energiequellen langfristig zu reduzieren", erklärt Professor Schade das Marktpotenzial dieser Innovationen.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Eingebunden in das Projekt sind neben dem EFZN die Universitäten Bremen und Bonn sowie verschiedene Industrieunternehmen wie die Goslarer Grillo Zinkoxid GmbH.

NEPHOS: neuartige Photovoltaik mit "schwarzem Silizium" und "schwarzem Zinkoxid"

Die Entwicklung und Herstellung einer neuen Generation von Solarzellen ist auch Kern des Projekts "NEPHOS - Neuartige Photovoltaik mit ?schwarzem Silizium" und ?schwarzem Zinkoxid"". Basis ist hierfür eine in den USA entwickelte Technologie, mit deren Hilfe gezielt verschiedene Materialeigenschaften eingestellt werden können: Vor ungefähr zehn Jahren suchte eine Forschungsgruppe um Professor Eric Mazur (Harvard-Universität) nach Wegen, die elektrische Ausbeute von lichtempfindlichen Materi alien zu erhöhen. Dazu beschossen die Physiker die Oberfläche eines Silizium-Wafers mit energiereichen Femtosekunden-Laserpulsen in schwefelhaltiger Atmosphäre. Das Material bekam dadurch eine sehr dunkle Färbung - die Forscher nannten das Ergebnis "schwarzes Silizium".

Durch den Laserbeschuss verändert sich die Oberflächenstruktur des Materials: Schwarzes Silizium reflektiert dadurch deutlich weniger des einfallenden Lichts als herkömmliches Silizium. Während bei konventionellen Siliziumoberflächen bis zu 30 Prozent des einfallenden Lichts zurückgeworfen werden, gehen bei schwarzem Silizium nur etwa fünf Prozent des Lichts durch Reflexion verloren. Durch den Einbau von Schwefel während des Herstellungsprozesses kann schwarzes Silizium auch unsichtbares Infrarotlicht in elektr ische Energie umwandeln. Diese Veränderung der Bandstruktur hat den Effekt, dass ein größerer Bereich des Sonnenspektrums absorbiert wird und so zur Erzeugung des Stroms in der Solarzelle genutzt werden kann.

Im Rahmen von NEPHOS soll deshalb diese neue Technologie in enger Kooperation mit der Harvard-Universität und dem daraus hervorgegangenen Spin-off-Unternehmen SiOnyx Inc. zur Herstellung einer neuen Generation von Solarzellen weiterentwickelt und eingesetzt werden. "?Schwarzes Silizium" lässt sich vergleichsweise einfach herstellen und hat eine höhere Effizienz, nutzt also einen größeren Teil der solaren Energie aus, als es bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen der Fall ist. Mit dieser Art von Solarzellen is t es möglich, eine Effizienz und Lebensdauer zu erreichen, die in bestimmten Anwendungsbereichen mit den bisherigen Systemen konkurrieren oder sie sogar übertreffen könnten", so die NEPHOS-Forscher. Ein weiteres Ziel: Die mit schwarzem Silizium gesammelten Erfahrungen sollen später auf andere im Vergleich zu Silizium in der Herstellung kostengünstigere Materialien übertragen werden - beispielsweise auf Zinkoxid, das in diesem Fall sehr vielversprechend ist. Auftraggeber und Fördermittelgeber für dieses Projekt ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU).

"Energie global verstehen, verantwortungsbewusst nutzen, intelligent einsetzen, und alternative Energieformen erschließen - das sind die Schwerpunkte, denen sich das Wissenschaftsjahr 2010 widmet. Das EFZN als offizieller Partner des Wissenschaftsjahres trägt mit diesen Projekten entscheidend dazu bei, neue Lösungen für eine sichere, wirtschaftliche und nachhaltige Energienutzung zu entwickeln. Dafür muss man grundsätzlich auch mal neue Wege gehen und Visionen haben, sonst kommt man nicht weiter", betont Professor Schade.

Die Initiative Zink ist ein Zusammenschluss von Zinkerzeugern, Zinkrecyclern, Halbzeugproduzenten, Herstellern und Verarbeitern von Zinkverbindungen unter dem Dach der WirtschaftsVereinigung Metalle. Sie ist Ansprechpartner für Behörden, Anwender und für die Presse in allen Fragen rund um das Zink. Die Initiative Zink hat ihren Sitz in Düsseldorf und arbeitet in enger Kooperation mit nationalen und internationalen Zinkverbänden.
Initiative Zink in der Wirtschaftsvereinigung Metalle
Doreen Köstler
Am Bonneshof 5
40474
Düsseldorf
doreenkoestler@initiative-zink.de
0211/4796176
http://zink.de

(Düsseldorf, 28.07.2010) "Neugier ist der stärkste Antrieb": So lautet das Motto des Wissenschaftsjahres 2010, das sich der Zukunft der Energie widmet. Im Mittelpunkt stehen dabei neue Ansätze in der Energieforschung weltweit und vor allem die Arbeit der deutschen Forscherinnen und Forscher in diesem Bereich. Diese suchen nach einer umweltverträglichen und effizienten Nutzung verschiedener Energieträger, neuen Energieformen und Ressourcen. Einer von ihnen ist Professor Wolfgang Schade, Institut für Energieforschung und Physikalische Technologien an der TU Clausthal und Mitglied im Vorstand des Energieforschungszentrums Niedersachsen (EFZN). Unter seiner Leitung wird derzeit im Rahmen der Projekte NEPHOS und NanoSol an Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Sonnenlicht mithilfe des Halbleiters Zinkoxid gearbeitet.

Regenerative Energiequellen sollen die Stromversorgung auch unabhängig von Öl oder Kohle sichern. Neben der Windenergie kommt in Deutschland vor allem auch der Solarenergie große Bedeutung zu. Doch die bisher verwendeten Solarzellen haben entscheidende Nachteile: "Bisher werden Solarzellen auf Siliziumbasis erstellt. Der Energieaufwand für den Herstellprozess ist ziemlich groß, während der Wirkungsgrad dieser herkömmlichen Solarzellen relativ klein ausfällt: Nur 15 Prozent des Lichts werden in Strom gewandelt", erläutert Professor Schade. "Außerdem ist hochreines Silizium teuer und nicht beliebig vorhanden. Vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und mit dem Ziel, die Kosten für Solartechnik zu senken, suchen deshalb Wissenschaftler weltweit nach billigeren und energieeffizienteren Alternativen zu Silizium-Solarzellen."

Ziel des Projekts "NanoSol" ist es, neuartige Weißlichtquellen und photovoltaische Elemente mit optimiertem Wirkungsgrad zu entwickeln - und zwar auf der Grundlage von geeigneten Polymerbeschichtungen und Zinkoxid-Nanodrähten. Zinkoxid ist ein für den Menschen nicht toxischer Halbleiter mit großer Bandlücke, der im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien eine sehr effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung aufweist. In den letzten Jahren wurden Zinkoxid-Nanodrähte entwickelt, die einen Durchmesser von bis zu Hundert Nanometern und mehreren Mikrometern Län ge haben. Diese Nanodrähte sind einkristallin und weisen je nach Herstellungsverfahren eine mehr oder weniger hohe n-Dotierung auf. Damit begünstigt das Material die Elektronenleitung in optoelektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Solarzellen.

Effizientere Solarzellen auf Basis von polymerbeschichteten Zinkoxid-Nanodrähten
Allerdings ist die stabile und reproduzierbare p-Dotierung von Zinkoxid ein noch ungelöstes Problem. Da aber pn-Übergänge - also die veränderte Leitfähigkeit durch freie Elektronen oder Löcher - und verwandte Strukturen die Voraussetzung für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen bilden, müssen andere Wege gefunden werden. Forschungstätigkeiten in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass mit der sogenannten Vapor-Liquid-Solid-(VLS-)Methode oder mittels Elektrodeposition Nanodrähte mit hervorragenden optischen Eigenschaften hergestell t werden können. Der Clausthaler Ansatz richtet sich dabei auf eine Materialkombination aus Zinkoxid-Nanodrähten, die mit lichtabsorbierenden Polymeren beschichtet sind. Dadurch kann die gesamte Oberfläche der Nanodrähte als aktive Fläche der Solarzelle verwendet werden. Das Besondere an den verwendeten Werkstoffen: Sie sind einfach zu beschaffen.

"Im Vergleich zur konventionellen Siliziumtechnologie handelt es sich hierbei um sehr effiziente Prozesse. Dadurch ist es möglich, extrem kostengünstige Bauelemente mit Wirkungsgraden im einstelligen Prozentbereich herzustellen. Silizium-Solaranlagen können heute zwar auch schon Werte von circa 18 Prozent erreichen - auf der anderen Seite stehen jedoch die damit verbundenen hohen Herstellungs- und Materialkosten. Wir versprechen uns von den Ergebnissen des NanoSol-Projekts wirtschaftlichere Solarzellen, deren Konzept in der Umkehrung dann auch auf Weißlichtquellen übertragbar ist", so Professor Schade.

Während bei einer gewöhnlichen Lampe etwa 70 bis 80 Prozent der eingesetzten Energie in Wärme und der verbleibende Rest in Licht gewandelt wird, sollen bei dem mit NanoSol angestrebten Konzept nahezu 100 Prozent der eingesetzten Energie auch tatsächlich für die Beleuchtung umgesetzt werden. Der exakte Wirkungsgrad ist allerdings bisher noch nicht ermittelt und daher auch Gegenstand des NanoSol-Projekts. "Bei entsprechendem Erfolg werden die Ergebnisse dieses Projekts unter anderem dazu beitragen, den Kohlendioxideintrag in die Atmosphäre durch den Ausbau effizienter regenerativer Energiequellen langfristig zu reduzieren", erklärt Professor Schade das Marktpotenzial dieser Innovationen.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Eingebunden in das Projekt sind neben dem EFZN die Universitäten Bremen und Bonn sowie verschiedene Industrieunternehmen wie die Goslarer Grillo Zinkoxid GmbH.

NEPHOS: neuartige Photovoltaik mit "schwarzem Silizium" und "schwarzem Zinkoxid"

Die Entwicklung und Herstellung einer neuen Generation von Solarzellen ist auch Kern des Projekts "NEPHOS - Neuartige Photovoltaik mit ?schwarzem Silizium" und ?schwarzem Zinkoxid"". Basis ist hierfür eine in den USA entwickelte Technologie, mit deren Hilfe gezielt verschiedene Materialeigenschaften eingestellt werden können: Vor ungefähr zehn Jahren suchte eine Forschungsgruppe um Professor Eric Mazur (Harvard-Universität) nach Wegen, die elektrische Ausbeute von lichtempfindlichen Materi alien zu erhöhen. Dazu beschossen die Physiker die Oberfläche eines Silizium-Wafers mit energiereichen Femtosekunden-Laserpulsen in schwefelhaltiger Atmosphäre. Das Material bekam dadurch eine sehr dunkle Färbung - die Forscher nannten das Ergebnis "schwarzes Silizium".

Durch den Laserbeschuss verändert sich die Oberflächenstruktur des Materials: Schwarzes Silizium reflektiert dadurch deutlich weniger des einfallenden Lichts als herkömmliches Silizium. Während bei konventionellen Siliziumoberflächen bis zu 30 Prozent des einfallenden Lichts zurückgeworfen werden, gehen bei schwarzem Silizium nur etwa fünf Prozent des Lichts durch Reflexion verloren. Durch den Einbau von Schwefel während des Herstellungsprozesses kann schwarzes Silizium auch unsichtbares Infrarotlicht in elektr ische Energie umwandeln. Diese Veränderung der Bandstruktur hat den Effekt, dass ein größerer Bereich des Sonnenspektrums absorbiert wird und so zur Erzeugung des Stroms in der Solarzelle genutzt werden kann.

Im Rahmen von NEPHOS soll deshalb diese neue Technologie in enger Kooperation mit der Harvard-Universität und dem daraus hervorgegangenen Spin-off-Unternehmen SiOnyx Inc. zur Herstellung einer neuen Generation von Solarzellen weiterentwickelt und eingesetzt werden. "?Schwarzes Silizium" lässt sich vergleichsweise einfach herstellen und hat eine höhere Effizienz, nutzt also einen größeren Teil der solaren Energie aus, als es bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen der Fall ist. Mit dieser Art von Solarzellen is t es möglich, eine Effizienz und Lebensdauer zu erreichen, die in bestimmten Anwendungsbereichen mit den bisherigen Systemen konkurrieren oder sie sogar übertreffen könnten", so die NEPHOS-Forscher. Ein weiteres Ziel: Die mit schwarzem Silizium gesammelten Erfahrungen sollen später auf andere im Vergleich zu Silizium in der Herstellung kostengünstigere Materialien übertragen werden - beispielsweise auf Zinkoxid, das in diesem Fall sehr vielversprechend ist. Auftraggeber und Fördermittelgeber für dieses Projekt ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU).

"Energie global verstehen, verantwortungsbewusst nutzen, intelligent einsetzen, und alternative Energieformen erschließen - das sind die Schwerpunkte, denen sich das Wissenschaftsjahr 2010 widmet. Das EFZN als offizieller Partner des Wissenschaftsjahres trägt mit diesen Projekten entscheidend dazu bei, neue Lösungen für eine sichere, wirtschaftliche und nachhaltige Energienutzung zu entwickeln. Dafür muss man grundsätzlich auch mal neue Wege gehen und Visionen haben, sonst kommt man nicht weiter", betont Professor Schade.

Die Initiative Zink ist ein Zusammenschluss von Zinkerzeugern, Zinkrecyclern, Halbzeugproduzenten, Herstellern und Verarbeitern von Zinkverbindungen unter dem Dach der WirtschaftsVereinigung Metalle. Sie ist Ansprechpartner für Behörden, Anwender und für die Presse in allen Fragen rund um das Zink. Die Initiative Zink hat ihren Sitz in Düsseldorf und arbeitet in enger Kooperation mit nationalen und internationalen Zinkverbänden.
Initiative Zink in der Wirtschaftsvereinigung Metalle
Doreen Köstler
Am Bonneshof 5
40474
Düsseldorf
doreenkoestler@initiative-zink.de
0211/4796176
http://zink.de

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