Die Spannung steigt. Oder: Wenn die Solarzelle mit der Brennstoffzelle zusammen geht… 

Am 18. Mai geht das Zentrum für Innovationskompetenz (ZiK) Sili-nano an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) mit einem Kickoff in die zweite Phase. Was genau wollen die beiden neuen interdisziplinären und internationalen Nachwuchsgruppenleitern aus Indien, Dr. Akash Bhatnagar, und aus Niederlanden, Jun.-Prof. Dr. Wouter Maijenburg, erforschen? Im Interview mit science2public:

Als junger Spitzenwissenschaftler darf man in punkto Forschung schon mal forsch sein. Also kommen wir gleich auf den Punkt. Zwar basieren heute die weitaus meisten Solarzellen auf Silizium, aber für eine zukünftige enge Verzahnung von Energieerzeugung und –speicherung könnten andere Materialsysteme oder Hybrid-Lösungen vorteilhafter sein. Die beiden Nachwuchsforschungsgruppenleiter am halleschen „Zentrum für Innovationskompetenz, genannt ZIK“ SiLi-nano haben da ihre ganz speziellen Pläne und Visionen. Der eine forscht an neuartigen Solarzellen, die mit ungekannten Eigenschaften punkten. Der andere nähert sich der fotokatalytischen Wasserspaltung in Nanoperspektive. In sinnvoller Kombination und Kooperation beider Disziplinen könnte später ein Solarzellen-Prototyp entstehen, der in der Lage ist, elektrische Energie zwischenzuspeichern. Der 30-jährige Physiker Akash Bhatnagar und der 31-jährige Chemiker Wouter Maijenburg haben erst kürzlich ihre Arbeit am ZIK SiLi-nano aufgenommen – einem Zentrum, das sich am wachsenden Wissenschaftsstandort Halle an der Saale binnen von sechs Jahren zu einem Nukleus exzellenter Forschung entwickelt hat. In einer zweiten Förderrunde des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) konnten jetzt die zwei neuen Forschungsgruppen „Light-for-High-Voltage Photovoltaics“ (Bhatnagar) und „Light-for-Hydrogen“ (Maijenburg) etabliert werden, auch, um ehrgeizige Forschungsvorhaben weitaus effektiver und interdisziplinärer anzugehen.  

Herr Dr. Akash Bhatnagar, Sie sind gerade neu in Halle angekommen und haben doch so viele Neuigkeiten und Ideen im Gepäck?  

Akash Bhatnagar: Das stimmt nicht ganz. Halle kenne ich gut. Ich bin quasi schon zum zweiten Mal hier angekommen. Denn vor ein paar Jahren habe ich am Max Planck Institut für Mikrostrukturphysik und an der Martin-Luther-Universität in Physik promoviert. Ich freue mich, dass ich nun auf einem Gebiet arbeiten darf, das mir bestens vertraut ist. Gerade erst durch Halle. Schon in meiner Doktorarbeit habe ich mich mit der Photovoltaik und speziell mit den photovoltaischen Eigenschaften des multiferroischen Materials BiFeO3 beschäftigt. Bislang als reine Grundlagenforschung. Mit dem ZIK gibt es nun die Perspektive, auf diesem Gebiet auch etwas in Richtung der Anwendung zu tun. 

Welches Forschungsziel verfolgen Sie?  

Akash Bhatnagar: Im Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen, die auf Halbleitern basieren, greife ich auf ferroelektrische Oxide zurück, die eine in der Photovoltaik noch kaum beachtete Materialfamilie darstellen. Die Wirkungsmechanismen sind grundsätzlich anders, viele neue Eigenschaften kommen hinzu. Das ist absolutes Neuland. Vor etwa fünf Jahren haben die ersten Forschungen dazu begonnen. Wir stehen am Anfang, und das macht es so spannend.  

Sie machen neugierig. Welche neuen Eigenschaften haben die Zellen?  

Akash Bhatnagar: Der wohl wesentlichste Unterschied gegenüber Halbleitermaterialien besteht beim Einsatz ferroelektrischer Oxide in der Photovoltaik darin, dass wir deutlich höhere Photo-Spannungen erzielen können. Und das sogar erheblich. Wir sprechen von Werten im Bereich von über 10  Volt. Herkömmliche Silizium-Solarzellen schaffen nur um die 0,5 bis 0,7 Volt. 

Also steigt die Leistungsausbeute …

Akash Bhatnagar: Nicht zwangsläufig, da die erhöhte Spannung mit sehr niedrigen Strömen erkauft wird. Es eröffnen sich aber neue Anwendungsmöglichkeiten. So wäre erstmals eine direkte Kombination aus Photovoltaik und der Elektrolyse von Wasser denkbar. Für diesen elektrochemischen Prozess, bei dem das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, sind höhere Spannungen nötig. Würde das funktionieren, hätte man das System der Solarzelle mit der Welt der Brennstoffzelle kombiniert.  

Das klingt im Grunde simpel... 

Akash Bhatnagar: Ist es aber nicht. Die Effizienz der neuen ferroelektrischen Materialien ist noch weitaus zu gering. Wie schon gesagt stehen den hohen Spannungen derzeit nur sehr geringe  Ströme im Nano-Amperebereich gegenüber. Wir wollen in den Mikro-Ampere-Bereich! Das Ziel ist Faktor 1.000. Erst dann folgt der nächste Schritt, einen Prototyp zu entwickeln. Das wäre dann auch interessant für die Aktivitäten meines Kollegen Wouter, der sich der fotokatalytischen Wasserspaltung verschrieben hat.

Wouter Maijenburg: Genau. Meine Forschungsgruppe beschäftigt sich konkret mit der fotokatalytischen Wasserspaltung mittels Nanostrukturen. Bei diesem Thema der Elektrolyse gibt es zumindest in der Anwendung durchaus gemeinsame Schnittmengen zu Akashs Gruppe. Wie schon erklärt, suchen wir nach Möglichkeiten, mittels Licht das Wasser in Wasserstoff und in Sauerstoff aufzutrennen. Dabei geht es weniger um die Suche nach vollkommen neuen Materialien, sondern mehr um die Nanostrukturierung der Systeme. Wir stellen unsere Fragen und experimentieren dazu derzeit mit verschiedenen Metall-Oxiden, wie zum Beispiel dem Kupferoxid, dem Kupfereisenoxid oder dem Bismutvanadat. 

Welche Fragen wollen Sie beantworten?

Wouter Maijenburg: Eine lautet, wie sich die Oberflächenvergrößerung in einer dreidimensionalen porösen Nanostruktur auf die katalytische Wasserspaltung auswirkt. Das ist ein wichtiger Punkt, der noch völlig unbeantwortet ist. Derzeit gibt es einen Hype auf neue Materialien. Doch das Augenmerk liegt hierzulande zumeist auf der Erforschung von Dünnschichten. Ich will dreidimensionale Nanostrukturen aus diesen neuen Materialien mittels Sol-Gel-Verfahren und elektrochemischer Abscheidung erzeugen. Auf die dafür nötige technische Ausstattung können wir bald in Halle zugreifen. Es wäre toll, wenn wir wissenschaftlich beschreiben könnten, mit welchen Strukturen man das System effizienter gestalten kann und warum es hoffentlich noch besser funktioniert als bei Dünnschichten. 

Obwohl Sie beide in unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen unterwegs sind, klingt das doch sehr nach einer engen  Zusammenarbeit...

Wouter Maijenburg: Genau das tun wir auch. Formal werden zwar alle vier ansässigen Forschungsgruppen am ZIK SiLi-nano getrennt voneinander aufgeführt, es scheint, als ob wir uns vor allem Technik und Infrastruktur teilen. Doch wir teilen und kooperieren viel mehr, wir schauen weit über unseren Tellerrand. Ein wichtiger Punkt ist die Offenheit und Neugier, die uns alle antreibt. Wir treffen uns regelmäßig, um untereinander Forschungsstände und -Ergebnisse abzugleichen. Unsere zwei neuen Forschungsgruppen – die eine ist physikalischer, die andere chemischer Natur - bereichern das ZIK auf besondere Weise. Wir sind interdisziplinärer geworden. 

Gibt es dafür Beispiele? 

Akash Bhatnagar: Manchmal sind es ganz einfache Dinge im Wissenschaftsalltag. Erst kürzlich gab es eine Diskussionsrunde. Da ging es um die so genannten Langmuir-Blodgett-Filme. Klar, hat man als Physiker davon gehört. Aber es ist ungemein hilfreich, dass uns Wouter, der übrigens auch anorganische Chemie an der Uni Halle lehrt, als Chemiker zur Seite steht. Nächstes Mal ist es sicher umgekehrt. Wir sind alle Experten auf unserem Gebiet. Dieser Mix am ZIK SiLi-nano ist sehr inspirierend. Alle profitieren davon und da spreche ich nicht nur von unseren Forschungsgruppen, sondern auch von unseren Kooperationspartner. 

Apropos Kooperationspartner. Im Zusammenhang mit dem ZIK wird oft von der Besonderheit Halles gesprochen, wenn es darum geht, Forschungsverbünde einzugehen. 

Akash Bhatnagar: Genau das ist der Punkt. Halle ist zwar eine kleine Stadt im Vergleich zu großen Wissenschaftsmetropolen. Dafür bietet die Stadt eine außergewöhnlich hohe Konzentration an Forschungsinstituten. Dazu mit hoher Vernetzungsmotivation. Das ZIK SiLi-nano ist als wissenschaftliche Einrichtung der MLU in der glücklichen Lage, auf eine breite Forschungsinfrastruktur und auf eine Reihe von exklusiven Kooperationspartnern zurückgreifen zu können, darunter das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) , das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) und das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik. Gerade für mein Fachgebiet ergeben sich dadurch viele Anknüpfungspunkte. Etwa zur Universität. Ein hiesiger Schwerpunkt der Physik lag schon immer auf oxydischen Materialien und der Ferroelektrika. 

Wouter Maijenburg: Die im ZIK SiLi-nano etablierten Forschungsthemen sind wirklich passgenau für Halle. Im Bereich der Photovoltaik und Materialforschung besteht ja die unmittelbare Anbindung zu den beiden halleschen Fraunhofer-Instituten und auch Arbeitsgruppen der Universität. Da kann ich fachlich andocken. Doch werden wir erfolgreich sein? Ich meine, das Ganze hängt nicht nur von technischer Ausstattung und Knowhow ab. Was ich hier, in den wenigen Wochen nach meiner Ankunft, am neuen Forschungsstandort spüre, ist eine unbedingte Bereitwilligkeit zur Kooperation. Hier arbeitet und forscht man nicht nebeneinander, sondern miteinander. Das ergibt ein ideales Umfeld für unsere Themen an der Schnittstelle zwischen Photovoltaik, Materialwissenschaft und Chemie. 

Wenn die Chemie stimmt…. Jeweils links Akash Bhatnagar, Nachwuchsgruppenleiter der Forschungsgruppe „Light-for-High-Voltage Photovoltaics“, rechts Wouter Maijenburg, Nachwuchsgruppenleiter der Forschungsgruppe „Light-for-Hydrogen“ am ZIK Silinano in Halle an der Saale

Das ZIK SiLi-nano® wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderprogramms "ZIK - Zentren für Innovationskompetenz: Exzellenz schaffen, Talente sichern" der Innovationsinitiative „Unternehmen Region“ gefördert. Insgesamt stehen für 18 ZIKs aus zwei Programmrunden von 2002 bis 2020 fast 350 Millionen Euro zur Verfügung. Weitere Informationen findet man unter: www.sili-nano.de