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Los geht's

Der große Test

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Die Energiewende ist eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen. Für eine sichere, bezahlbare und saubere Energieversorgung müssen Wissenschaft und Wirtschaft eng zusammenarbeiten.

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Auch wir am HZB stellen uns diesem Ziel: Wir entwickeln neue Materialien, die Energie umwandeln oder speichern können oder die effiziente Schaltprozesse für Informations-Technologien ermöglichen. Wir nennen sie Energiematerialien.

Beispiele sind Solarzellen, aber auch Systeme, die wie ein künstliches Blatt arbeiten und mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen.

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Besonders vielversprechend als neue Energiematerialien sind Dünnschichtsysteme.

Bei ihrer Herstellung werden mehrere dünne Schichten verschiedener Materialien nacheinander auf einem Substrat aufgetragen. Durch die Stapelung lassen sich verschiedene Materialeigenschaften kombinieren und es entstehen neue, besonders leistungsfähige Werkstoffe.




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Es ist wie in der Küche: Auch ein Hamburger besteht aus verschiedenen (mehr oder weniger) dünnen Schichten.

Und schon, wenn man nur eine Zutat ändert - wenn man zum Beispiel Senf nimmt, statt Ketchup - dann schmeckt der ganze Burger anders.


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Im HZB arbeiten wir unter anderem an Tandem-Solarzellen aus Silizium- und Perowskit-Schichten.

Jede Schicht nutzt eine andere „Farbe“ des Sonnenlichts. Gemeinsam können die Tandemzellen einen viel größeren Teil des Sonnenspektrums einfangen und sind dadurch deutlich effizienter als eine reine Silizium-Solarzelle.


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Doch die extrem dünnen Schichten herzustellen ist knifflig. Schon bei der Synthese der Materialien kann eine Menge schiefgehen.

Und wenn eine Schicht so dünn ist, dass sie nur noch aus wenigen Atomlagen besteht, dann kann sie ganz andere Eigenschaften haben als ein gesamter Kristall. Denn diese extrem dünnen Schichten bestehen praktisch nur noch aus Oberfläche. Und an Oberflächen treten häufig Effekte auf, die unerwünschte Folgen haben können. Zum Beispiel elektrische Verluste

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Diese positiven und negativen Effekte in komplexen Dünnschichtsystemen wollen die Forscherinnen und Forscher des HZB entschlüsseln – und zwar auf atomarer Ebene.

Unsere Photonenquelle BESSY II bietet dafür genau das richtige Werkzeug. Sie produziert ein spezielles Röntgenlicht, mit dem man dünne Materialschichten perfekt durchleuchten kann.

Zusätzlich können Forscher am HZB in hochmodernen zentralen Laboren, unseren CoreLabs, auf Spurensuche gehen und neue Materialien schon bei ihrer Herstellung genau analysieren.


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Materialküche, Spurensuche – das alles dient einem Zweck: Neue Materialien und Bauelemente zu entwickeln und zu optimieren, und zwar systematisch.

Dieser einzigartige Systemansatz zeichnet das HZB aus.



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"Es gibt nicht die eine universelle Methode, die zum Erfolg führt – das gilt für die Materialforschung ganz besonders. Das Gute hier am HZB ist, dass wir eine Vielzahl von Analyseverfahren kombinieren und so viel mehr Information aus jeder einzelnen Materialprobe herausholen können."

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"Die Synthese von Dünnschichtsystemen ist eine delikate Angelegenheit. Die kleinste Änderung in der Materialstruktur hat oft große Folgen für die Funktionsfähigkeit. Das heißt, wir müssen das Synthese-Ergebnis immer wieder und möglichst sofort mit unserer Analytik prüfen – am besten noch während die Schichten wachsen.
Genau das kann man wunderbar in unserem Energieforschungslabor EMIL machen. Hier greifen Synthese und Analytik unmittelbar ineinander – das gibt es nirgendwo sonst auf der Welt."

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"Bisher wird nur ein kleiner Anteil des Sonnenlichts in Solarzellen in Strom umgewandelt. Durch eine bessere Steuerung des Lichteinfalls kann man noch viel optimieren. Mit meinen Simulationen teste ich viele Metalloxid Nanostrukturen durch, um eine optimale Geometrie zu bestimmen und probiere nur die besten Strukturen im Labor aus. So kommt man schneller ans Ziel."

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"Ich bin Theoretiker und am liebsten befasse ich mich mit Fragen, die auch den Kolleginnen und Kollegen aus der experimentellen Forschung unter den Nägeln brennen. Mithilfe von mathematischen Modellierungen gelingt es uns oft, versteckte Zusammenhänge ans Licht zu bringen und zu zeigen, welche Parameter für die Eigenschaften von neuartigen Materialsystemen entscheidend sind."

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"Wir haben am Kompetenzzentrum für Photovoltaik eine hauseigene Produktionsanlage für Silizium-Heterojunction-Solarzellen und Chalkopyrit-Module. Damit rennen wir bei der Industrie offene Türen  ein.
Denn alle tollen Neuentwicklungen nützen ja nichts, wenn sie nur im Labor, aber nicht im Industriemaßstab funktionieren. Und das können wir hier gemeinsam testen."

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„Da Sonnenlicht nicht immer zur Verfügung steht, wollen wir es in Form von Wasserstoff speichern. Dazu brauchen wir Materialien, die weder teuer noch knapp sind. Metalloxide sind eine gute Alternative.
Wir arbeiten hart daran, die Effizienz der Materialsysteme hochzuschrauben. Simulation, Synthese und Analytik, das geht bei uns Hand in Hand.“



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Energieforschung am Helmholtz-Zentrum Berlin

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