Hochdotierte Forschung für bessere Solarzellen

22. Juni 2021
2/2021

Für sein Projekt OptElon hat Wolfgang Tress einen prestigeträchtigen Starting Grant des European Research Council für junge Spitzenforschende erhalten – als erster Forscher der ZHAW.

Herkömmliche Photovoltaik-Anlagen bestehen meist aus Silizium-Solarzellen. Diese können gut 20 Prozent der Energie aus dem Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Viel mehr liegt nicht drin. Die blaue Silizium-Schicht ist einen halben Millimeter dick – und somit eher teuer. Die Solarzellen brechen leicht und brauchen viel Energie, um hergestellt zu werden.
Deswegen setzen Forscherinnen und Forscher heute weltweit auf Perowskit. Auch Wolfgang Tress am Institute of Computational Physics der ZHAW. Obwohl derzeit noch keine Photovoltaik-Anlage mit Perowskit im Einsatz ist, ist der 39-jährige Physiker überzeugt, dass daraus die bessere und günstigere Solarzelle hergestellt werden kann, wie er im Institutslabor erzählt.
Der Name Perowskit geht auf ein Mineral zurück, das zuerst im Ural gefunden und nach einem russischen Politiker und Mineralogen benannt wurde. Das Solarzellen-Perowskit wird im Labor aber synthetisch hergestellt. Dort kann es 25 Prozent der Sonnenenergie umwandeln und hat somit einen vergleichbaren Wirkungsgrad wie Silizium. Das verwendete Perowskit ist schwarz, absorbiert viel Licht, lässt sich einfach herstellen und wird nur als dünne Schicht benötigt – lediglich ein Tausendstel Millimeter.

Zwischen Glas und Gold

Die Untersuchungen im Labor dienen als Grundlage für die mathematische Modellierung.
Die Studierenden, die die Solarzellen herstellen, mit denen Wolfgang Tress arbeitet, brauchen dafür eine Beschichtungsanlage. In die sogenannte Glovebox steckt man die Arme bis zu den Ellenbogen hinein und arbeitet in einer Stickstoffatmosphäre, da die Luftfeuchtigkeit Perowskit zerstören würde.
In der Glovebox mischt man Salze und Lösungsmittel, verarbeitet die Lösung und gibt die hauchdünne Perowskit-Schicht auf ein leitfähiges Glas. Darüber kommt ein winziges Plättchen Gold, eine 100 Nanometer dünne Schicht, die den erzeugten Solarstrom weiterleitet.
Danach untersuchen die Forscher mittels Computersimulation – dabei setzen sie auch maschinelles Lernen ein – und experimentell, wie sich das Material bei Kälte, Wärme und anderen Bedingungen verhält. Tress modelliert und beschreibt die Fähigkeiten der Solarzelle. Er berechnet, was noch alles möglich wäre. Etwa die Steigerung des Wirkungsgrads auf 30 oder 40 Prozent, indem man die Perowskit-Schichten übereinander stapelt oder als Tandem mit einer Silizium-Solarzelle kombiniert.

Material für Computerchips?

Zwar lässt der Wirkungsgrad von Perowskit nach einigen Stunden nach. Wenn sich die Solarzelle aber über Nacht erholen kann, erreicht sie wieder die ursprüngliche Leistung. Die Zelle hat während dieses Prozesses etwas gelernt und gespeichert. So lässt sich Perowskit künftig vielleicht für Computerspeicherchips verwenden.»
Zwar lasse der Wirkungsgrad von Perowskit nach einigen Stunden nach, sagt der Forscher. «Wenn sich die Solarzelle allerdings über Nacht erholen kann, erreicht sie am nächsten Tag wieder die ursprüngliche Leistung.» Weshalb das so ist, will Tress herausfinden.
Zum einen interessiert ihn, wie dieser Effekt eliminiert werden kann, damit die Solarzelle ununterbrochen hochwirksam arbeitet. Zum anderen könnte der Effekt aber auch nützlich sein: «Die Zelle hat während dieses Prozesses etwas gelernt und gespeichert. So lässt sich Perowskit künftig vielleicht für Computerspeicherchips verwenden.»

Ein Glücksfall für die ZHAW

Tress’ Forschung ist ausgezeichnet: Er hat für sein Projekt einen Starting Grant des European Research Council (ERC) erhalten – als erster ZHAW-Forscher überhaupt. Der ERC-Grant ist eine prestigeträchtige Auszeichnung, die nur wenige, häufig Angehörige grosser Eliteuniversitäten, erhalten. Die 2 Millionen Euro Fördergelder ermöglichen dem Forscher, sich ein eigenes Team aufzubauen.
Neben seiner Forschung unterrichtet Wolfgang Tress angehende Maschinentechnikerinnen und -techniker in Physik. Ihm gefällt die Kombination aus anwendungsorientierter Grundlagenforschung und Dozieren.
«Organische Solarzellen können auf biegbare Unterlagen angebracht werden.»
Tress hätte sein Projekt an mehreren Universitäten auch im Ausland verwirklichen können. Schliesslich entschied er sich im vergangenen Jahr für Winterthur: «Meine Arbeit passt hier thematisch gut, ich werde unterstützt und habe genügend Freiheiten», sagt Tress. Seine Frau und er bevorzugten aber auch persönlich Winterthur, da es sich in der Schweiz besser leben lasse als andernorts – vor allem als Familie, denn Tress wurde vor Kurzem Vater einer Tochter.

Entdecken, was noch keiner weiss

Neben seiner Forschung unterrichtet Tress angehende Maschinentechnikerinnen und -techniker in Physik. Ihm gefalle die Kombination aus Grundlagenforschung und Dozieren, sagt Tress. Er hat ursprünglich Elektrotechnik an der Universität Ulm studiert , wo er herstammt. Zur Physik ist er erst gekommen, als er sich während seiner Diplom- und Doktorarbeit mit Photovoltaik beschäftigte: «Mich motivierte, etwas Sinnvolles für die Gesellschaft zu tun», sagt Tress. «Das Spannende an Solarzellen ist, dass es noch viel zu entdecken gibt, das bisher keiner weiss.»

Einfache Herstellung

Neuartige Solarzellen – damals noch organische – führten ihn auch in die Schweiz. Vor Winterthur arbeitete er mehrere Jahre an der EPFL in Lausanne. Dort sattelte er um auf Perowskit, das Solarmaterial der Zukunft: «Organische Solarzellen können auf biegbare Unterlagen angebracht werden», sagt Tress. Dafür sei deren Wirkungsgrad kleiner. Perowskit kombiniere alle Vorteile: hohen Wirkungsgrad, einfache Herstellung sowie Biegsamkeit. «Künftig könnten die Solarzellen auf Folien gedruckt und flexibel verwendet werden.»