Dr. Fabian Paulus: GreenDots

Eine umweltfreundliche und nachhaltige Energiegewinnung ist eine der größten Aufgaben unserer Zeit, um den Herausforderungen des Klimawandels und dem weltweit stetig steigenden Energiebedarf zu begegnen. Neben den klassischen Photovoltaikmodulen aus Silizium haben sich in den vergangenen Jahren auch neue Materialien und Technologien als Alternativen entwickelt, die transparente, flexible und leichte Module ermöglichen.

Besonders Solarzellen auf Basis von Blei-Halogenid-Perowskiten und schwermetallhaltigen Nanokristallen haben in jüngster Zeit beachtliche Steigerungen ihrer Wirkungsgrade erfahren und könnten diese neuen Anwendungsgebiete erschließen. Die hohe Konzentration toxischer und umweltschädlicher Elemente wie Blei oder Cadmium in diesen Solarzellen lässt es jedoch fraglich erscheinen, inwieweit eine breite Verwendung vor dem Hintergrund EU-weiter Richtlinien zur Begrenzung solch schädlicher Verbindungen überhaupt möglich ist oder in wenigen Jahren zu einem gesellschaftlichen Entsorgungsproblem werden könnte.

 

Grundlage für die Herstellung effizienter Solarzellen und Lichtsensoren

Das Forschungsvorhaben GreenDots beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendung nanokristalliner Materialien, sogenannter Quantum Dots, die ohne die sonst üblichen Schwermetalle wie Blei oder Cadmium auskommen und damit umweltfreundlicher sind. Durch Variation der chemischen Synthesebedingungen lassen sich die Zusammensetzung, Größe und optischen wie elektronischen Eigenschaften der halbleitenden Nanomaterialien präzise einstellen. Nach der Überführung der Nanokristalle in konzentrierte, stabile Dispersionen (Tinten) wird die Fabrikation qualitativ hochwertiger dünner Schichten mittels lösungsbasierter Abscheidungs- und Drucktechniken untersucht. Diese Prozesse bilden wiederum die Grundlage für die Herstellung effizienter Solarzellen und empfindlicher Lichtsensoren.

Die Steigerung der Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrade steht dabei nicht allein im Vordergrund, sondern auch die Zuverlässigkeit und Stabilität der elektronischen Bauteile. Damit die Herstellung dieser Nanomaterialien selbst auch umweltfreundlich gestaltet werden kann, liegen die Schwerpunkte innerhalb des Forschungsprojektes auf der Adaption umweltverträglicher Ausgangsstoffe und Lösungsmittel in den Synthesen, einer Minimierung des Ressourcen- und Energieverbrauchs in der Herstellung und Verarbeitung, sowie auf einer möglichen Recyclingfähigkeit der Nanokristalle aus ausgedienten Bauelementen. Auf Basis dieser Daten wird der gesamte Lebenszyklus der elektronischen Bauteile hinsichtlich Ressourceneinsatz und Umweltbelastung analysiert, um den ökonomischen Mehrwert dieser Technologie frühzeitig quantifizieren und bewerten zu können. Dieses Forschungsvorhaben leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Materialentwicklung für eine leistungsstarke, ressourcen- und umweltschonendere Photovoltaik.

Nachwuchsgruppenleiter Dr. Fabian Paulus

Fabian Paulus studierte Chemie (Diplom) an der Ruprecht-Karls Universität Heidelberg und promovierte 2016 in der Organischen Chemie zum Thema „N-Heteroazene in Organischen Feld-Effekt Transistoren“. In dieser Zeit forschte er auch im Rahmen eines Auslandsaufenthalts am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge bei Prof. Sirringhaus. Nach einem Post-doc im Bereich der Nanomaterialien am Physikalisch-Chemischen Institut wechselte er 2017 ans neu gegründete Centre For Advanced Materials der Universität Heidelberg und ist seit Oktober 2019 Forschungsgruppenleiter am Center For Advancing Electronics (cfaed) der Technischen Universität Dresden. Der Fokus seiner Forschung liegt auf der Herstellung, Untersuchung und Anwendung neuer Materialien für die Elektronik der Zukunft. Ab Februar 2022 leitet er das NanoMatFutur Projekt GreenDots, das die Entwicklung umweltfreundlicher Nanomaterialien für die Photovoltaik zum Ziel hat.