Aus dem Themenbereich Forschung

Solarenergienutzung

Die vorliegenden Förderkonzepte wollen den Weg bereiten für die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation zur Solarenergienutzung. Dazu gehören die Stromerzeugung mit hoch innovativen Dünnschichtsolarzellen und die solare Wasserstofferzeugung in verschiedenen Systemen. Dies ist nur mit Hilfe erheblicher grundlegender Forschungsanstrengungen zu erreichen.

Photovoltaik

Wissenschaftliche Fragen und Herausforderungen sind in diesem Zusammenhang u.a.:

• die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der anorganischen und organischen Solarzellen durch materialwissenschaftliche Innovationen, durch neuartige Absorbermaterialien, einschließlich Hybridstrukturen, durch Ausnutzung der Eigenschaften von Nanostrukturen,
• die Verbesserung des Verständnisses physikalischer Vorgänge zum Beispiel durch die Untersuchung von Strukturparametern und physikalischen Eigenschaften von Halbleiterschichten, deren Wachstumsverhalten, der Defektchemie oder der Auswirkung von Grenzflächeneffekten,
• Anwendung neuer experimenteller und analytischer Methoden wie zum Beispiel Echtzeitanalyse oder moderne mathematische Simulationsverfahren,
• Übertragung komplexer Strukturen mit Materialsystemen aus anderen Themenfeldern der Materialforschung.

Im Bereich der institutionell geförderten Forschungseinrichtungen wirken drei Institute bei der Entwicklung photovoltaischer Bauelemente und Module zusammen: Am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) werden neuartige Solarzellen entwickelt und optimiert. Die Arbeiten reichen von der angewandten Grundlagen- und Materialforschung bis zur Technologieentwicklung für neue Zellenstrukturen sowie Herstellungsverfahren für Solarzellen der nächsten und übernächsten Generation. Das Arbeitsprogramm des Instituts für Photovoltaik im FZJ konzentriert sich auf die Erhöhung des Wirkungsgrades und Verminderung der Lichtalterung durch Verbesserung der optoelektronischen Eigenschaften von Solarzellen auf der Basis amorphen Siliziums. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (FhG-ISE) erforscht naturwissenschaftlich-technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltverträgliche Energieversorgung auf der Basis der technischen Nutzung der Sonnenenergie.

Eine Sonderstellung im Bereich der Dünnschichtphotovoltaik nehmen die organischen Solarzellen (OPV) ein. Eigenschaften wie Transparenz oder Flexibilität und niedriger Energiebedarf in der Herstellung sind attraktive Vorteile und prädestinieren diese neue Technologie zum Beispiel für den mobilen Einsatz. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine deutliche Verbesserung der Wirkungsgrade und der Langlebigkeit des Materials bzw. der Bauelemente sowie eine drastische Reduzierung der derzeit noch hohen Herstellungskosten. Dies sind die Hauptziele der Forschung im Bereich der OPV. Bei entsprechenden Entwicklungsfortschritten kann langfristig erwartet werden, dass die OPV die Energieerzeugung anderer Photovoltaik-Technologien ergänzen und weltweit einen signifikanten Beitrag zur Energieversorgung im stationären Bereich leisten wird.
 

Biomimetische Wasserstofferzeugung

Wasserstoff kommt als Sekundärenergieträger für ein künftiges nachhaltiges Energieversorgungssystem in Betracht, sofern eine wirtschaftliche, umwelt- und klimaverträgliche Herstellung erreicht werden kann. Seine bisher praktizierte Herstellung ist nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich sinnvoll und ohne CO2-Emission durchführbar. Die Nutzung von alternativen Prozessen steht noch am Anfang ihrer Entwicklung, stellt aber eine verfolgenswerte Option in einem langfristig angelegten, nachhaltigen Energieszenario dar.
 
Die Nutzbarmachung der solarbiologischen Wasserstofferzeugung, also die Überführung spezieller Prozesse der natürlichen Photosynthese in Verbindung mit enzymatischen Reaktionen in eine effiziente Wasserstofferzeugung ist einer der Hoffnungsträger für die zukünftige Wasserstoffproduktion.

Aus den Kenntnissen der Photosynthese, welche die Natur selbst perfekt beherrscht, lassen sich mehrere Varianten ableiten: die natürliche Biowasserstofferzeugung, semiartifizielle Systeme, artifizielle Systeme und die Wasserstofferzeugung in photochemischen, Halbleiter- und hybriden Systemen. Sämtliche Arbeiten, die im Zusammenhang mit der Überführung von Grundlagenwissen in technologische Umsetzung für eine innovative Wasserstofferzeugung stehen, sind Gegenstand der Förderung des BMBF.