Dr. Oana Cojocaru-Mirédin: Atomsonde
Solarzellen sind umweltfreundlicher als viele andere Methoden zur Energiegewinnung. Es gibt aber auch einen Nachteil: Solarzellen liefern bislang bei Weitem nicht so viel Strom wie z.B. Kohle. Mit einem besseren Verständnis des atomaren Aufbaus der Solarzellen, kann sich dies aber ändern. Die Verteilung der einzelnen Elemente innerhalb der Solarzellen hat großen Einfluss auf die Leistung einer Solarzelle. Besonders stark ist dieser Effekt dort, wo unterschiedliche Materialien und Elemente aufeinander treffen, an den Grenzflächen.
Die Photovoltaik, d.h. die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität mittels Solarzellen, verursacht keine Treibhausgase. Jedoch ist die Effizienz von Solarzellen derzeit nicht hoch genug, um wirtschaftlich mit Kohle- oder Atomkraftwerken zu konkurrieren. Eine erfolgreiche Umsetzung der Photovoltaik erfordert neue, kreative Ansätze bei der Herstellung, der Verarbeitung und der Charakterisierung von Solarzellen. Voruntersuchungen, speziell zur Rolle von Fremdatomen und Verunreinigungen an Grenzflächen in Solarzellen, haben neue Erkenntnisse aufgezeigt. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten zur gezielten technischen Beeinflussung dieser Systeme auf der atomaren Ebene. Damit kann der Wirkungsgrad – also die Kenngröße für die Effizienz einer Solarzelle – entscheidend verbessert werden.
Ziel des Projekts ist zunächst ein besseres Verständnis der atomaren Verteilung der Elemente, insbesondere an den inneren Grenzflächen, und der Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Solarzelle. Bisher fehlen chemische Analysen mit atomarer Auflösung, um den Zusammenhang zwischen der Herstellung und dem Wirkungsgrad genau zu verstehen.
Dass die atomare Verteilung, insbesondere die von Fremdelementen, an inneren Grenzflächen den Wirkungsgrad einer Solarzelle entscheidend beeinflusst, zeigt ein anderes Experiment. Durch das gezielte Einbringen von Natrium-Atomen ließ sich der Wirkungsgrad einer Solarzelle um ein Drittel erhöhen.
Zur Aufklärung der Vorgänge auf atomarer Skala werden verschiedene spektroskopische und mikroskopische Methoden genutzt. Spezialisiert ist die Nachwuchswissenschaftlerin auf die Atomsondentomographie. Dabei wird eine winzige, nanometerfeine Probe aus dem zu untersuchenden Material herausgeschnitten und Atom für Atom abgetragen. Aus den Messdaten wird ein dreidimensionales Bild erstellt, welches die Elementverteilung auf atomarer Ebene wiedergibt. Diese Erkenntnisse fließen in neue Herstellverfahren ein, was zu verbesserten Wirkungsgraden führen soll.
Im Projekt wird die Nachwuchswissenschaftlerin Dr. Oana Cojocaru-Mirédin gefördert, die seit mehreren Jahren erfolgreich mit Methoden der hochauflösenden Analytik zur Aufklärung der Elementverteilung auf atomarer Ebene forscht.
Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Oana Cojocaru-Mirédin
Frau Dr. Oana Cojocaru-Mirédin hat mehr als 13 Jahre Erfahrung mit der Anwendung der APT-Methode auf komplexe Funktionsmaterialien. Sie hat einen Diplom- und Doktorabschluss von der Universität Rouen in Frankreich, der größten Atomsondentomographie -Gruppe weltweit. In ihrer Doktorarbeit hat sie ultraflache p-n-Übergänge in Si-basierten Halbleiterbausteinen untersucht und war damit unter den ersten Wissenschaftlern überhaupt, die die APT-Methode erfolgreich auf die Untersuchung von Halbleitermaterialien eingesetzt hat. In 2009 ist Frau Oana Cojocaru-Mirédin als Postdoktorand ans Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf gegangen, wo sie für mehrere Jahre mit der APT-Analyse von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen Jahren beschäftigt war. Von Februar 2013 bis August 2015 hat sie am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Grenzflechendesign für Solarzellen“ geleitet. Seit September 2015 leitet sie am I. Physikalisches Institut, RWTH Aachen die Arbeitsgruppe „Nanocharacterization for Advanced Functional Materials“.