Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
Grafik: Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
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Das Bild zeigt eine grafische Übersicht zu drei Materialklassen im Bereich der Energietechnik, dargestellt durch eine große, stilisierte, dreifarbige Dreiecksform in der Mitte. Um das Dreieck sind drei nummerierte Bereiche angeordnet:
- Oben links (blau, Nummer 1):
Energie-Wandlung- Untertitel: Photoelektronische Materialien
- Aufzählung:
- Organische Materialien (Polymere, Farbstoffe)
- Anorganische Materialien (z. B. für Tandemsolarzellen, basierend auf Quanteneffekten in Nanostrukturen)
- Kombination aus organischen und anorganischen Materialien
- Unten links (grün, Nummer 2):
Energie-Recycling- Untertitel: Thermoelektrische Materialien
- Aufzählung:
- Organische Materialien (Polymere)
- Anorganische Materialien (Silizium, Germanium, Silicide, Legierungen oder Multischichten aus Silizium, Germanium und Zinn)
- Kombination aus organischen und anorganischen Materialien
- Oben rechts (orange, Nummer 3):
Energie-Speicherung- Untertitel: Materialien mit elektrochemischen Eigenschaften
- Aufzählung:
- Mikrostrukturierte Siliziumoberflächen als Anodenmaterial in Batterien
Die drei Bereiche sind farblich und numerisch voneinander abgegrenzt und werden durch das zentrale Dreieck symbolisch miteinander verbunden.
Signifikante Fortschritte in der Material- und Werkstoffforschung sind für eine erfolgreiche Energiewende in Deutschland von entscheidender Bedeutung. Die Fachgruppe „Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme“ fokussiert sich insbesondere auf Materialen mit photoelektrischen, thermoelektrischen und elektrochemischen Eigenschaften.
Die Erforschung photoelektrischer Materialien zielt darauf ab, effizientere Bauelemente und Systeme zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie für eine nachhaltige Energieversorgung zu entwickeln. Hierbei werden sowohl nanostrukturierte anorganische Materialien (insbesondere Silizium, Germanium) als auch organische Materialien (z.B. konjugierte Polymere, Farbstoffe) bzw. eine Kombination beider für den Einsatz in neuartigen Solarzellen entwickelt und erste Prototypen auf Funktion, Effizienz und Langzeitstabilität untersucht.
Neben Materialien zur Energie-Wandlung beschäftigt sich die Fachgruppe mit der Erforschung von Materialien zum Energie-Recycling. Hierbei konzentrieren sich die Forschungsarbeiten vor allem auf die Herstellung und Charakterisierung nachhaltiger, nicht-toxischer, thermoelektrischer Materialien, die als Wandler von Abwärme in elektrische Energie oder als Peltierkühler verwendet werden können.
Eine wesentliche Verkürzung der Entwicklungszeiten und -kosten für neue Energiematerialien wird durch begleitende rechnergestützte, quantenmechanische Berechnungen thermoelektrischer Eigenschaften, basierend auf der Dichtefunktionaltheorie erreicht. Dadurch können die Eigenschaften der Materialien (Materialzusammensetzung, etc.) bereits in der Designphase optimiert werden.
Der Innovationszyklus wird durch die Erforschung von Materialien zur Energie-Speicherung geschlossen. Diese Forschungsarbeiten fokussieren sich vor allem auf die Entwicklung von Materialien für eine effiziente und sichere Energiespeicherung, wie z.B. mit Batterien. Insbesondere steht hierbei die Ausnutzung der hohen Speicherkapazität mikrostrukturierter Siliziumoberflächen im Vordergrund der Forschungsarbeiten.
Team
Prof. Dr. N. Buczek
| Prof. Dr. rer. nat.
Nadine Buczek | |
| Telefon: | +49 451 300 5167 |
| Fax: | +49 451 300 5512 |
| E-Mail: | nadine.buczek@th-luebeck.de |
| Raum: | D.2 20-0.06 |
Prof. Dr. N. Buczek hat im April 2018 als Neuberufung die Professur für Grundlagen regenerativer Energien, Nanotechnologie und Photonik an der TH Lübeck übernommen. Zuvor war sie als Entwicklungsingenieurin im Bereich der mikrostrukturierten Optik und Photonik der Carl Zeiss Jena GmbH tätig.
Während ihrer Promotion und Postdoc-Zeit am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle im Department von Prof. Gösele hat Frau Prof. Buczek sich mit der Entwicklung nanostrukturierter Halbleiteroberflächen und mit Schichtsystemen für die Photovoltaik, Thermoelektrik und für den Einsatz in Speichertechnologien beschäftigt. Durch eine Kombination aus verschiedenen Lithographie- und Beschichtungsverfahren sowie nasschemischen Ätzprozessen ist es ihr gelungen, eine industrierelevante Methode zur Herstellung großflächiger nanostrukturierter Siliziumoberflächen für den Photovoltaikbereich und für die Entwicklung neuartiger Speicher zu entwickeln.
In ihrer derzeitigen Funktion als Leiterin des Labors für Regenerative Energien, Nanotechnologie und Photonik im Solarhaus der THL verfolgt Frau Prof. Buczek ihre wissenschaftlichen Interessen im Bereich der Halbleiter- und Nanotechnologie zur Effizienzsteigerung von Solarzellen und Thermoelektrika.
Prof. Dr. M. Elbing
| Prof. Dr. rer. nat.
Mark Elbing | |
| Telefon: | +49 451 300 5010 |
| E-Mail: | mark.elbing@th-luebeck.de |
| Raum: | G.1 13-0.10 |
Prof. Dr. M. Elbing hat im September 2017 die Professur für Organische Chemie an der TH Lübeck übernommen. Davor war er einige Jahre als Labor- und Entwicklungsleiter bei der BASF beschäftigt, wo er vor allem an Polymerschäumen und nanoporösen Materialien arbeitete.
In seiner Promotion synthetisierte er am Karlsruher Institut für Technologie (Arbeitsgruppe: Prof. M. Mayor) konjugierte organische Moleküle und untersuchte in Zusammenarbeit mit experimentellen Physikern deren Elektronentransportverhalten. Dabei sollten die synthetisierten Verbindungen als funktionale Bestandteile elektronischer Schaltkreise, z.B. als Schalter oder Diode, wirken. Während seines anschließenden Postdoc-Aufenthaltes an der University of California, Santa Barbara (Arbeitsgruppe: Prof. G. C. Bazan) beschäftigte er sich mit der Synthese und Untersuchung konjugierter organischer Oligomere und Polymere und deren Einsatz in organischen Dünnschichttransistoren und p-n-Heteroübergänge. In diesen Arbeiten hat Prof. Elbing umfassende Kenntnisse über den Ladungsträgertransport in organischen Strukturen und dessen Beeinflussung durch maßgeschneiderte organische Synthese gewonnen. In seiner derzeitigen Position als Leiter des Labors für Organische Chemie der THL hat er seine Arbeiten zur Erforschung und Synthese organischer Strukturen für die gezielte Anwendung in Solarzellen, Thermoelektrika und Speichern aufgenommen.
Drittmittel-Projekt: „Funktionalisierte Farbstoffe aus Mikroalgen für Solarzellen“
(SolarAlgen), Laufzeit: April 2021 bis Mai 2024, gefördert durch das EKSH
In diesem F&E Projekt sollen basierend auf der Arthrospira-Produktion bei Sea & Sun Technology GmbH (Trappenkamp, Schleswig-Holstein) natürliche Farbstoffe, insbesondere lineare Tetrapyrrole, aus Biomasse gewonnen und diese anschließend zur Herstellung und Charakterisierung von Farbstoffsolarzellen verwendet werden. Da diese Farbstoffe bisher kaum auf ihre Eignung in Farbstoffsolarzellen getestet werden, sind zunächst sowohl die Extraktionsmethoden für den Farbstoff als auch parallel dazu die Zellstrukturen für die Einbettung des Farbstoffs in eine Solarzelle grundlegend zu entwickeln. Nach ersten erfolgreichen photovoltaischen Testungen im Labor für Regenerative Energien, Nanotechnologie und Photonik im Solarhaus der THL sollen die gewonnenen natürlichen Farbstoffe durch chemische Synthese in ihren Eigenschaften gezielt angepasst werden, um höhere Wirkungsgrade und/oder eine bessere Langzeitstabilität in den Farbstoffsolarzellen zu erreichen. Dabei stehen vor allem, die Anbindung des Farbstoffes an den TiO2-Halbleiter, die intermolekularen Wechselwirkungen in der Farbstoffsolarzelle, verbesserte Ladungsträgerinjektion und -transporte sowie die technologische Verbesserung der Zellstruktur im Fokus.
Grafik: Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
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Das Bild zeigt ein schematisches Prozessdiagramm mit sechs Stationen, die als handgezeichnete farbige Kreise dargestellt sind. Schwarze Pfeile verbinden die Stationen und zeigen die Arbeitsrichtung an.
Der Ablauf im Detail:
- Startpunkt (links unten): Der Prozess beginnt beim blauen Kreis „Algen“.
- Ein Pfeil führt nach oben zum hellblauen Kreis „Farbstoffextraktion“.
- Von der Extraktion führen zwei Wege weiter:
- Ein direkter Weg führt schräg nach unten zum grauen Kreis „Präparation Farbstoffsolarzelle“.
- Ein zweiter Weg führt nach rechts zum grünen Kreis „Chemische Modifizierung“.
- Der grüne Kreis „Chemische Modifizierung“ steht in einer Wechselbeziehung (dargestellt durch Pfeile in beide Richtungen) mit dem orangen Kreis oben rechts: „Simulation Materialparameter“.
- Von der „Chemischen Modifizierung“ führt ein Pfeil wieder hinab zum grauen Kreis „Präparation Farbstoffsolarzelle“, wo beide Pfade wieder zusammenlaufen.
- Endpunkt (rechts unten): Vom grauen Kreis führt der letzte Pfeil zum gelben Kreis „Photovoltaische Charakterisierung“.
Durch die enge Verzahnung der chemischen und photovoltaischen Untersuchungen sollen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen gefunden werden, die eine kontinuierliche Verbesserung der Eigenschaften erlauben. Die begleitende theoretische Untersuchung soll die Auswahl an zu synthetisierenden Stoffen (bzgl. HOMO- und LUMO-Position, Absorptionseigenschaften etc.) einschränken und so den experimentellen Aufwand reduzieren. Als finales Ergebnis wird eine Prototyp-Solarzelle auf Basis von Tetrapyrrol-Farbstoffen aus Biomasse angestrebt, die hinsichtlich ihrer photovoltaischen Funktionalität (Effizienz und Langzeitstabilität) getestet wurde. Weiterhin sollen erste Ansätze gezeigt werden, die eine Optimierung der Effizienz und Langzeitstabilität ermöglichen.
„Elektrisch leitfähige Polymere zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ (SolarTEG)
Ziel des Projektes „Elektrisch leitfähige Polymere zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ (SolarTEG) ist die Entwicklung einer neuartigen solar-thermoelektrischen Zelle inklusive Bau und Testung eines Prototyps unter Realbedingungen im Solarhaus der TH Lübeck. Innerhalb der Fachgruppe Fachgruppe „Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme“ (FAMES) ist das Vorhaben unter das übergeordnete Forschungsziel „Energie-Recycling: Kombination aus organischen und anorganischen Materialien“ einsortiert. Dazu sollen thermoelektrische Bauelemente (TEG) aus nachhaltigeren, nicht-toxischen thermoelektrischen Materialien entwickelt werden. Diese beruhen maßgeblich auf leitfähigen Polymeren, die mit nanostrukturierten Silizium-basierten Solarzellen geschickt gekoppelt werden, um eine Effizienzsteigerung zu erreichen.
Durch die Nanostrukturierung des Siliziums werden Quanteneffekte ausgenutzt und so die Effizienz des thermoelektrischen Moduls signifikant erhöht. Die konjugierten Polymere können durch organische Synthese in ihren elektronischen Eigenschaften gezielt angepasst werden, sind flexibel und können im Prinzip durch Drucken als Bauteile hergestellt werden. Aufgrund dieser einfachen Verarbeitung könnten in Zukunft die Herstellkosten des TEG entscheidend gesenkt werden. Daneben bringt FAMES die Kompetenz der großflächigen und industrierelevanten Nanostrukturierung der Siliziumoberfläche der Solarzelle ein, was zusätzlich die Effizienz der Zelle steigert.
In Abb. 1 sind die wesentlichen Schritte des Konzepts der Fachgruppe zur Konstruktion der solar-thermoelektrische Zelle zusammengefasst:
- Nanostrukturierung der Silizium-Oberfläche der Solarzelle;
- Kopplung der nanostrukturierten Solarzelle mit TEGs an der Rückseite;
- Entwicklung eines nachhaltigeren, polymerbasierten TEGs.
Abb. 1: Darstellung des Vorhabens „SolarTEG: Elektrisch leitfähige Polymere [1,2] zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ und der relevanten Vorarbeiten der Fachgruppe FAMES
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Die Abbildung ist in drei Spalten unterteilt, die zusammen das Projekt „SolarTEG“ beschreiben. Blaue gestrichelte Linien verdeutlichen, an welcher Stelle der Solarzelle die jeweiligen Technologien zum Einsatz kommen.
1. Linke Spalte: Nanostrukturen
- Überschrift: „Eigene Nanostrukturen aus der Fachgruppe FAMES, Kompetenzfeld: Prof. Buczek“.
- Inhalt: Es sind drei Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM) zu sehen.
- Oben links: Eine Oberfläche mit pyramidenförmigen Strukturen.
- Oben rechts: Eine Oberfläche mit senkrecht stehenden Nadeln (Nanostäbchen/Nanodrähte). Maßstab: 1 µm.
- Unten: Ein Querschnitt durch das Material, der eine teppichartige Struktur zeigt. Maßstab: 20 µm.
- Zusammenhang: Gestrichelte Linien zeigen von diesen Bildern auf die Vorderseite der Solarzelle in der Mitte.
2. Mittlere Spalte: Das Bauteil (SolarTEG)
- Überschrift: „Vorhaben „SolarTEG““.
- Die Spalte ist zweigeteilt:
- Links: „Vorderansicht der Solarzelle mit nanostrukturierter Oberfläche“. Gezeigt wird ein blaues Solarmodul in Schrägansicht.
- Rechts: „Hinteransicht der Solarzelle mit nanostrukturierten + polymerbasierten TEG“. Gezeigt wird die Rückseite des Moduls, auf der ein kleineres, weißes quadratisches Bauteil (der thermoelektrische Generator, TEG) montiert ist.
3. Rechte Spalte: Polymerstrukturen
- Überschrift: „Eigene Polymerstrukturen aus der Fachgruppe FAMES, Kompetenzfeld: Prof. Elbing“.
- Inhalt:
- Oben: Ein Funktionsschema auf molekularer Ebene. Es zeigt den „Electron transport“ (Elektronentransport) entlang einer blauen Kette („Nanodrähte aus der Fachgruppe“) durch eine Grenzschicht („Junction“). Rote Pfeile markieren „Heat transport“ (Wärmetransport) und „Scattering“ (Streuung). Beschriftet mit „PEDOT:PSS“.
- Unten: Chemische Strukturformeln von Polymeren und Ionen. Zu erkennen sind Ringstrukturen (Thiophene) sowie die chemischen Bezeichnungen „Tosylate“, „PF₆“ und „BTFMSI“.
Zusammenhang: Gestrichelte Linien zeigen von dieser Spalte auf das TEG-Bauteil auf der Rückseite der Solarzelle in der Mitte.
Prof. Dr. Paweł Buczek, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Fakultät Technik und Informatik
Projektbeteiligte
Sea & Sun Technology GmbH
Die erforderlichen Materialien stehen in der Fachgruppe zur Verfügung bzw. können basierend auf den Kompetenzen von Prof. Dr. N. Buczek (nanostrukturiertes Silizium) und Prof. Dr. M. Elbing (elektrisch leitfähige, konjugierte Polymere) erhalten werden. Im Solarhaus sollen diese neuartigen solar-thermoelektrischen Bauelemente unter Realbedingungen charakterisiert werden.
Gefördert aus dem Strategiebudget der TH 2030
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1 G. Prunet, F. Pawula, G. Fleury, E. Cloutet, A.J. Robinson, G. Hadziioannou, A. Pakdel, Materials Today Physics 18 (2021) 100402
2 Nagaraj Nandihalli, Chia-Jyi Liu, Takao Mori, Nano Energy 78 (2020) 105186
Labor für Energiematerialien im Solarhaus der THL
Foto: Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
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Das Bild zeigt eine Übersicht des Meteo-Systems am Solarhaus der Technischen Hochschule Lübeck. Im Zentrum ist das Solarhaus mit seiner geneigten Dachfläche zu sehen. Über das Bild sind Linien gezogen, die auf verschiedene Messgeräte am und um das Gebäude verweisen. Links oben ist ein Pyranometer für die horizontale Globalstrahlungsmessung abgebildet. Darunter befindet sich ein weiteres Pyranometer, das auf 30° nach Süden ausgerichtet ist, sowie Silizium-Pyranometer, die auf 60° Süd und 90° West zeigen. Rechts oben ist ein Anemometer zur Windmessung auf einem Mast in 10 Metern Höhe dargestellt. Rechts unten ist ein Direktstrahlungsmessgerät der Firma Siggelkow zu sehen, das auf einem Geländer montiert ist. Zusätzlich sind die Namen und Ausrichtungen der einzelnen Sensoren im Bildtext erläutert. Die Grafik vermittelt, wie das Solarhaus mit verschiedenen meteorologischen Messsystemen zur Erfassung von Solarstrahlung und Wind ausgestattet ist.
Mit dem Solarhaus steht ein Reallabor zur Verfügung, das bereits im Jahr 1982 komfortables Wohnen ohne Abhängigkeit von fossilen Energieträgern demonstrieren konnte und über Außenmessplätze für Langzeituntersuchungen von Solarmodulen und über ein digitales Messsystem zur Aufnahme von Klima- und Wetterdaten verfügt.
Weiterhin verfügt das Labor für Energiematerialien über präzise Messtechnik im Bereich der Photovoltaik und Thermoelektrik:
Photovoltaisches Labor
Indoor-Sonnensimulator
- die elektrische Zellcharakterisierung bei variabler Bestrahlungsstärke und Temperatur und
- zur Aufzeichnung der spektralen Antwort (spektralen Empfindlichkeit bzw. externe Quanteneffizienz, EQE) von PV-Zellen bei winkelveränderlicher Bestrahlung. Mit dem Sonnensimulator können die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Effizienz der Solarzellen unter kontinuierlichen, tages- und jahreszeitlich unabhängigen Laborbedingungen reproduzierbar untersucht werden.
Thermoelektrisches Labor
Messplatz zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit von Dünnschicht-Thermoelektrika
Diese Messanordnung dient der simultanen temperaturabhängigen Messung thermoelektrischer Kenngrößen wie dem Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen sowie thermischen Leitfähigkeit mit dem Ziel die thermoelektrische Gütezahl thermoelektrischer Materialien zu bestimmen.
Genauere Details zur Laborausstattung ist auf der entsprechenden Internetseite des Labors für Energiematerialien zu finden.
Labor für Organische Chemie
Genauere Details zur Laborausstattung ist auf der entsprechenden Internetseite des Labors für Organische Chemie zu finden.
