Dr. Stefan Wippermann: NanoSolar

Wie lassen sich Solarzellen noch effizienter machen? Spezielle Effekte in halbleitenden Nano-Kompositen scheinen eine vielversprechende Antwort auf diese Frage zu geben. Das Geheimnis liegt in der Zusammensetzung der Nano-Komposite. Das Projekt NanoSolar will ein grundlegendes Verständnis für die Effekte im Inneren solcher Halbleitern liefern und ihnen den Weg in die Anwendung ebnen.

Herkömmliche Solarzellen sind in ihrer Gesamteffizienz, die auch Wirkungsgrad genannt wird, limitiert. Theoretisch liegt die Obergrenze bei einem Wirkungsgrad von 33 %. Das bedeutet, dass in einer perfekten herkömmlichen Solarzelle höchstens ein Drittel des einfallenden Lichts auch in Strom umgewandelt werden kann. Ein Grund hierfür ist, dass die Solarzelle nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge optimal nutzen kann. Scheint Licht mit zu großer Energie auf die Solarzelle, geht die überschüssige Energie als Wärme verloren. Anteile des sichtbaren Lichts mit zu wenig Energie können hingegen gar nicht zur Stromgewinnung genutzt werden. Es gibt eine vielversprechende Lösung für dieses Problem: Nano-Komposit-Halbleiter. Sie entstehen bei der Kombination unterschiedlicher Materialien. Mit ihnen lässt sich ein wesentlich größerer Anteil des Lichts effizient zur Gewinnung von Strom nutzen.

Bei diesen Materialien werden Nano-Partikel, also winzige Teilchen, in ein anderes Material eingebettet. Dabei ist das aufnehmende Material, die Gastmatrix, ein Gerüst mit geordnetem Aufbau. Die eingebauten Nano-Partikel selbst sind hochgeordnete Kristalle. Durch geschickte Wahl ihrer Form und Größe, ihres Aufbaus und ihrer Platzierung in der Gastmatrix, lassen sich die Eigenschaften der Nano-Komposite schon bei der Herstellung steuern. Auch die Auswahl der Gastmatrix selbst, spielt eine Rolle. Im Projekt NanoSolar werden Kombinationen aus umwelttechnisch unbedenklichen und weitverbreiteten Materialien untersucht. Der Clou ist, dass die Kompositmaterialien über einfache, bereits etablierte Verfahren kostengünstig hergestellt werden.

Die Gruppe von Herrn Wippermann untersucht vor allem „exotische“ Kristallstrukturen von Silizium-Kompositen. Silizium bildet in der Natur Kristalle mit ganz bestimmten Ordnungen. Kristallstrukturen die von solchen natürlichen Ordnungen abweichen, werden als „exotisch“ bezeichnet und weisen für optische und elektronische Anwendungen sehr interessante Eigenschaften auf. Im NanoSolar-Projekt werden gezielt Nano-Komposite hergestellt und untersucht, die spezielle Effekte bei der Bestrahlung mit Licht zeigen. Zum einen können diese neuartigen Nano-Komposite die überschüssige Energie von Licht mit zu hoher Energie auch in Strom umwandeln. Zum anderen sind sie in der Lage, die Anteile des Lichts mit zu geringer Energie zu „sammeln“. So kann auch das „gesammelte“, wenig energiereiche Licht zur Stromgewinnung genutzt werden. Dieser Prozess wird Aufwärtskonversion genannt.

Nachwuchsgruppenleiter Dr. Stefan Wippermann

Nach Forschungsaufenthalten an der Tsinghua University, Beijing und der North Carolina State University, Raleigh promovierte Herr Dr. Stefan Wippermann mit Auszeichung an der Universität Paderborn in theoretischer Festkörperphysik über ein-dimensionale atomare Quantendrähte. 2011 erhielt er den Promotionspreis der Universität Paderborn für eine ausgezeichnete Dissertation. Von 2011 bis 2013 forschte er an Nanopartikeln im Arbeitskreis Giulia Galli an der University of California, Davis. Seit 2013 arbeitet er am Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf in der Abteilung Grenzflächenchemie und Oberflächentechnik an fest-flüssig Grenzflächen und Nano-Kompositmaterialien. Seit Januar 2014 leitet er die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Nano-Kompositmaterialien mit maßgeschneiderten optischen und elektronischen Eigenschaften“.