Solarzellen mit Nanostreifen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.04.2017

Wissenschaftler des KIT gewinnen neue Einblicke in die Struktur von Perowskit-Solarzellen

Solarzellen aus Perowskiten erreichen inzwischen hohe Wirkungsgrade: Sie wandeln über 20 Prozent des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um. Auf der Suche nach den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun in Perowskit-Schichten streifenförmige Nanostrukturen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern nachgewiesen, die als Transportpfade für Ladungen dienen könnten. Darüber berichten sie im Journal Energy & Environmental Science. (DOI: 10.1039/c7ee00420f)

Die von den Karlsruher Forschern verwendeten Perowskite sind metallorganische Verbindungen mit spezieller Kristallstruktur und hervorragenden photovoltaischen Eigenschaften. So haben Perowskit-Solarzellen seit ihrer Entdeckung 2009 eine rasante Entwicklung durchlaufen und erreichen inzwischen Wirkungsgrade von über 20 Prozent. Dies macht sie zu einer der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien. Die Forschung an Perowskit-Solarzellen steht allerdings noch vor zwei Herausforderungen: die lichtabsorbierenden Schichten robuster gegen Umwelteinflüsse zu machen sowie das darin enthaltene Schwermetall Blei durch umweltfreundlichere Elemente zu ersetzen. Dazu bedarf es tieferer Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die es ermöglichen, dass Perowskite einen so hohen Anteil der absorbierten Solarenergie in elektrische Energie umwandeln.

Ein multidisziplinäres Team von Forschern des KIT um Dr. Alexander Colsmann, Leiter der Arbeitsgruppe Organische Photovoltaik am Lichttechnischen Institut (LTI) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE), hat nun Perowskit-Solarzellen mithilfe der Piezoresponse Force Microscopy, einer besonderen Rasterkraft-Mikroskopietechnik, vermessen und dabei in den lichtabsorbierenden Schichten ferroelektrische Nanostrukturen nachgewiesen. Ferroelektrizität bedeutet, dass Kristalle eine elektrische Polarisation besitzen. Dabei bilden die ferroelektrischen Kristalle Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung, sogenannte Domänen. Die Karlsruher Wissenschaftler beobachteten, dass der Bleihalogenid-Perowskit während der Entstehung dünner Schichten rund 100 Nanometer breite streifenförmige ferroelektrische Domänen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern bildet. Diese alternierende elektrische Polarisation im Material könnte eine entscheidende Rolle beim Transport der photogenerierten Ladungen aus der Solarzelle heraus spielen und somit die besonderen Eigenschaften der Perowskite in der Photovoltaik erklären.

„Die ferroelektrischen Strukturen in der Größe von wenigen zehn Nanometern könnten nahezu perfekt getrennte Transportpfade für Ladungen in der Solarzelle bilden“, erklärt Alexander Colsmann. Nach derartigen Strukturen suchen Forscher schon seit Jahren, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. „In Perowskit-Solarzellen entstehen diese Strukturen unter gewissen Bedingungen offensichtlich von selbst“, sagt Professor Michael J. Hoffmann, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Keramische Werkstoffe und Technologien (IAM-KWT) des KIT. Er kennt ähnliche ferroelektrische Strukturen aus der Keramikforschung. Theoretische Arbeiten anderer Forscher hatten diese vorteilhaften Nanostrukturen zuvor bereits vorhergesagt. Bisher war der Nachweis jedoch ausgeblieben. Die Wissenschaftler des KIT untersuchten die Ferroelektrizität von Bleihalogenid-Perowskiten im Rahmen des von der Baden-Württemberg Stiftung finanzierten Projekts „NanoSolar“. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der renommierten Zeitschrift Energy & Environmental Science. (or)

Publikation:
Holger Röhm, Tobias Leonhard, Michael J. Hoffmann and Alexander Colsmann: Ferroelectric domains in methylammonium lead iodide perovskite thin-films. Energy & Environmental Science, 2017 (DOI: 10.1039/c7ee00420f)

Externer Link: www.kit.edu

Forschen am Bau

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 22.09.2016

Das Arch_Tec_Lab zeigt auf, wie die Digitalisierung zu einer ressourcenschonenden, emissionsfreien und verdichteten Bauweise beitragen kann. Sechs Professuren der ETH Zürich haben ihre Forschungsansätze gebündelt und das neuartige Gebäude gemeinsam als Prototyp entwickelt.

Sechs Jahre dauerte der weitgehend digitale Planungs- und Bauprozess, an dem Architekten, Bauingenieurinnen, Gebäudetechniker und Bauphysikerinnen aus sechs Professuren des Instituts für Technologie in der Architektur der ETH Zürich beteiligt waren. Gemeinsam wollten sie herausfinden, wie sie mittels digitaler Technologien und kollaborativer Planungsprozesse zu einer ressourcenschonenderen und räumlich verdichteten Bauweise beitragen können. Sie schufen ein Reallabor, in dem sie ihre neusten Erkenntnisse im Massstab 1:1 anwendeten. Auf dem Campus Hönggerberg ist so ein Neubau auf dem Dach einer bestehenden Parkgarage entstanden, der Nachhaltigkeit in allen Dimensionen verkörpert. Das Gebäude ist über eine Passerelle mit dem bestehenden Gebäude des Departements Architektur verbunden.

Mit der Leichtigkeit von Holz und Stahl

Um auf den bestehenden Gebäudestrukturen aufbauen zu können, setzten die Wissenschaftler konsequent auf Leichtbautechnologie und verbauten bewusst weniger Baumasse. Im Vergleich zu herkömmlichen Hochbauten, bei denen auf einen Kubikmeter bis zu 400 Kilogramm Material kommen, beträgt die durchschnittlich verbaute Masse des Arch_Tec_Labs lediglich 240 Kilogramm.

Die Wahl der Materialien fiel bei der Dachkonstruktion auf Holz und beim Skelett des Tragsystems auf Stahl, weil diese Materialien im Verhältnis zu ihrer Masse eine optimale Steifigkeit aufweisen. Darüber hinaus kommt die Stahlstruktur ohne tragende Kerne und Schächte aus, was einerseits eine flexible Nutzung ermöglicht und andererseits auch erlaubt, die Raumgestaltung an sich wandelnde Bedürfnisse anzupassen.

Robotergefertigtes Holzdach

Das geschwungene Holzdach des Arch_Tec_Labs hat ein einzelner Portalroboter komplett vorgefertigt. Die Grundlage dafür bildete ein integrierter digitaler Planungs- und Produktionsprozess, der unter der Leitung der Professur für Architektur und digitale Fabrikation mit beteiligten Fachplanern und Erne als ausführender Firma entwickelt wurde. So entstand aus über 48‘000 einzelnen Kanthölzern mit Längen bis zu 3,10 Metern eine Dachstruktur mit Spannweiten von rund 15 Metern. 168 seriell gefügte, robotisch assemblierte und genagelte Fachwerkträger führen die Lasten in fünf Feldern auf Stahlträger ab und integrieren die gesamte Technik vom Brandschutz bis zur Beleuchtung. Ohne weitere Verkleidung lässt die fein gegliederte Struktur der Fachwerkträger das rund 2‘300 Quadratmeter überspannende Dach als eine Gesamtform erscheinen, die mit elegantem Schwung und wechselndem Lichteinfall die offenen oberen Geschosse des Arch_Tec_Labs überwölbt.

Nicht nur in der Planungs- und Bauphase wollten die ETH-Wissenschaftler mit möglichst wenigen Ressourcen auskommen. Das Arch_Tec_Lab soll auch emissionsfrei funktionieren, wenn sie das Gebäude beziehen und darin arbeiten. Als Gebäudetechnik kommt deshalb die an der ETH Zürich seit 2010 entwickelte Null-Emissions-Technologie zum Einsatz. In der doppelten Bodenstruktur des Gebäudes befinden sich 120 so genannte Airboxen, die an das Anergie-Netz des Campus Hönggerberg angeschlossen sind. Diese Airboxen übernehmen die Lüftung und dienen zusätzlich der Heizung und Kühlung des Gebäudes. Der doppelte Boden beherbergt einerseits das Leitungsnetz und sorgt andererseits dafür, dass die Luft durch leichten Überdruck über Bodenauslässe in die Räume gelangt. Für Ulrich Weidmann, Vizepräsident für Personal und Ressourcen der ETH Zürich, ist das Arch_Tec_Lab ein Glücksfall: «Die Wissenschaftler der ETH Zürich entwickeln Innovationen zur Lösung von infrastrukturellen Herausforderungen. Am Beispiel des Arch_Tec_Labs beweisen sie, dass sich verdichtetes Bauen und eine hohe Baukultur nicht gegenseitig ausschliessen. Damit leisten sie einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung des Bodens, von dem wir als ETH nun sogar selbst profitieren.»

Kollaborativen Ansatz weiterverfolgen

Den kollaborativen Ansatz, den die Wissenschaftler beim Bau des Arch_Tec_Labs wählten, wollen sie auch künftig intensiv weiterverfolgen. Im Neubau gibt es keine Einzelbüros, dafür mehr Gemeinschaftsfläche für kleinere und grössere Gruppen. Das von Gramazio Kohler Research initiierte und geplante Robotic Fabrication Laboratory im Erdgeschoss verdeutlicht den mit dem Arch_Tec_Lab verbundenen Anspruch neue Räume für interdisziplinäre Experimente im Bauwesen zu schaffen. Hier ermöglicht ein deckenmontiertes Portalsystem die grossmassstäbliche Ausführung von Bauaufgaben mittels vier kooperierenden Industrierobotern. Das Robotiklabor dient neben den Forschenden des Instituts für Technologie in der Architektur auch den Forschenden des Nationalen Forschungsschwerpunkts Digitale Fabrikation. Realisiert wurde es in enger Zusammenarbeit mit den Firmen ABB und Güdel.

Für Sacha Menz, den geistigen Vater des Arch_Tec_Labs und Vorsteher des Instituts für Technologie in der Architektur, ist das Gebäude die umgesetzte Vision einer zukünftigen Bautechnologie, aber auch für eine neue Art der Zusammenarbeit: «Das Arch_Tec_Lab dient der Forschung im Bauwesen, und diese kann nicht hinter verschlossenen Türen stattfinden. Wir erhoffen uns eine intensivere interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Instituts und Forschungsimpulse über die einzelnen Disziplinen hinaus.»

Abschliessend beantwortet sind viele Fragen, die im Arch_Tec_Lab gestellt werden, noch lange nicht – und wollen es auch bewusst nicht sein. Denn das Arch_Tec_Lab versteht sich als Reallabor, in dem die Forschenden gemeinsam mit ihren Studierenden immer wieder neue Fragestellungen angehen und Lösungen vor Ort erproben. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen der Baudindustrie und letztlich der Gesellschaft zugutekommen.

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Wie Pflanzen mit Pilzen Freundschaft schließen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.09.2016

Neu identifiziertes Gen MIG1 steuert Entwicklung der Wurzelrinde und ermöglicht Symbiose mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen – Kultivierung könnte zu nachhaltiger Landwirtschaft beitragen

Viele Pilze schädigen Pflanzen und töten sie. Aber es gibt auch pflanzenfreundliche Pilze: Die meisten Landpflanzen leben in einer engen Gemeinschaft mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen (AM-Pilzen), die ihr Wachstum fördern. Wie diese Symbiose zustande kommt, untersuchen Forscher der Gruppe „Molecular Phytopathology“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Wissenschaftler haben nun ein Gen identifiziert, das von den AM-Pilzen gezielt aktiviert wird und die Entwicklung der Pflanzenwurzel beeinflusst: Der GRAS-Transkriptionsfaktor MIG1 sorgt dafür, dass mehr und größere Wurzelrindenzellen entstehen. Darüber berichten die Forscher in der Zeitschrift Current Biology (DOI: 10.1016/j.cub.2016.07.059).

Die meisten Landpflanzen leben in einer Symbiose mit AM-Pilzen – in einer engen Beziehung, von der beide Seiten profitieren: Die AM-Pilze helfen den Pflanzen, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat sowie Wasser aus dem Boden zu ziehen, schützen sie vor Schädlingen und fördern darüber hinaus das Pflanzenwachstum, indem sie die Wurzelentwicklung beeinflussen. Als Gegenleistung versorgen die Pflanzen die AM-Pilze mit Kohlehydraten, die sie durch Photosynthese erzeugen. Die Symbiose verbessert Wachstum und Gesundheit der Pflanzen auch unter schwierigen Bedingungen, wie nährstoffarme Böden und Stress. Kontrolliert kultiviert, könnten Gemeinschaften von Kulturpflanzen mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen helfen, Dünger und Pestizide einzusparen, und somit zu einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen.

Doch wie kommt die freundschaftliche Beziehung zwischen Pflanze und Pilz überhaupt zustande? Dieser Frage gehen Wissenschaftler der Gruppe „Molecular Phytopathology“ unter Leitung von Professorin Natalia Requena am Botanischen Institut des KIT nach. In grundlegenden Forschungsarbeiten untersuchen sie die molekularen Prozesse bei der Ausbildung der Symbiose. Was die Förderung des Pflanzenwachstums über die Wurzelentwicklung betrifft, haben die Wissenschaftler nun ein Pflanzengen identifiziert, das von den AM-Pilzen gezielt aktiviert wird – den GRAS-Transkriptionsfaktor MIG1, der die Größe der Wurzelrindenzellen bestimmt. Anhand von Medicago truncatula, einer Pflanzenart aus der Gattung der Schneckenklees, haben die Karlsruher Forscher die Rolle von MIG1 untersucht. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Current Biology.

„Die Ausbildung einer Symbiose mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen verlangt von Pflanzen eine außergewöhnliche und genau gesteuerte Anpassung“, erklärt Professorin Natalia Requena. „Die Pflanze aktiviert ihre genetischen Programme für eine solche Symbiose noch vor dem ersten physischen Kontakt mit dem Pilz, sobald sie einen von diesem abgesonderten Signalstoff empfängt.“ Im Folgenden liegt die Kontrolle der Ausbildung der Symbiose vorwiegend bei der Pflanze. Die Besiedlung von Pflanzenwurzeln durch AM-Pilze ist auf das Abschlussgewebe und die Rinde beschränkt. Dabei dringen die Hyphen (Zellfäden) des Pilzes tief in die Wurzelrinde ein und bilden weitverzweigte Strukturen, sogenannte Arbuskeln. Die Pflanze umhüllt die Arbuskeln mit einer eigens synthetisierten periarbuskulären Membran (PAM).

Bei der Regulierung der Wurzelkolonisation und der Bildung von Arbuskeln übernehmen bestimmte Proteine, die einer pflanzenspezifischen Familie von Proteinen – der GRAS-Protein-Familie – angehören, wesentliche Funktionen. Sie wirken als Transkriptionsfaktoren, welche die Aktivität anderer Gene steuern, das heißt sie an- oder ausschalten. Beispielsweise ermöglicht das Protein RAM1 die Verzweigung der Arbuskeln, RAD1 ihre Erhaltung, und NSP1, NSP2 und DIP1 kontrollieren den allgemeinen Kolonisationsvorgang. Die Forscherinnen und Forscher um Professorin Natalia Requena identifizierten nun den Transkriptionsfaktor MIG1 (Mycorrhiza Induced GRAS 1). Dessen stärkste Expression ist in Zellen zu beobachten, die Arbuskeln enthalten. MIG1 verändert die Wurzelrindenentwicklung wesentlich, indem es dafür sorgt, dass mehr und größere Wurzelrindenzellen entstehen, sodass der Durchmesser der Wurzeln insgesamt deutlich zunimmt. Umgekehrt führt eine Herunterregulierung von MIG1 zu missgebildeten Arbuskeln. (or)

Publikation:
Carolin Heck, Hannah Kuhn, Sven Heidt, Stefanie Walter, Nina Rieger and Natalia Requena: Symbiotic fungi control plant root cortex development through the novel GRAS transcription factor MIG1. Current Biology, 2016. DOI: 10.1016/j.cub.2016.07.059

Externer Link: www.kit.edu

Energie aus Sonnenlicht: Weiterer Schritt zur künstlichen Fotosynthese

Medienmitteilung der Universität Basel vom 24.06.2016

Chemikerteams der Universitäten Basel und Zürich sind der Energiegewinnung aus Sonnenlicht einen Schritt näher gekommen: Sie konnten erstmals eine der wichtigsten Phasen der natürlichen Fotosynthese in künstlichen Molekülen nachvollziehen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie (Internationale Ausgabe)» vor.

Grüne Pflanzen sind nach der Absorption von Sonnenlicht in der Lage, elektrische Ladungen vorübergehend zu speichern, indem sie einen sogenannten molekularen Ladungsakkumulator verwenden. Genau diesen Vorgang konnten nun die beiden Forschungsteams im Labor bei künstlichen Molekülen beobachten, die sie eigens dafür herstellten.

Zwei Ladungen kurz gespeichert

Die Chemiker regten die künstlichen Moleküle mit einem Laser an, worauf erstmals zwei negative Ladungen für eine kurze Zeitdauer gespeichert werden konnten. Es gelang, die Ladungen genügend lange Zeit – nämlich während 870 Nanosekunden – zu speichern, damit sie für die künstliche Fotosynthese auch tatsächlich nutzbar wären.

Neu ist insbesondere, dass die Forschenden die Ladungsakkumulation ohne energiereiche Hilfsreagenzien durchführten. Bisher gelang eine solche Ladungsakkumulation in künstlichen Molekülen nur unter Verwendung von Hilfsreagenzien. Für diese muss jeweils viel Energie aufgewendet werden – womit eine nachhaltige Umwandlung von Sonnenlicht in chemisch gespeicherte Energie nicht möglich wäre.

«Unsere Resultate bedeuten einen grundlegend wichtigen Schritt auf dem Weg in Richtung künstliche Fotosynthese», sagen die beiden Leiter der Forschungsarbeit, Prof. Oliver Wenger (Universität Basel) und Prof. Peter Hamm (Universität Zürich). Bis zur angestrebten hohen Nachhaltigkeit des Verfahrens bleibe aber für die Forschung noch immer ein weiter Weg.

Umwandlung in Treibstoff

Derzeit untersuchen die beiden Forschungsgruppen der Universitäten Basel und Zürich, wie die Ladungsakkumulation in einen chemischen Treibstoff umgewandelt werden kann. Vorbild dafür sind die grünen Pflanzen, welche die Ladungsakkumulation zum Aufbau von lebensnotwendigen, energiereichen Substanzen nutzen. Die künstliche Fotosynthese gilt als ein vielversprechendes Element einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung.

Originalbeitrag:
M. Orazietti, M. Kuss-Petermann, P. Hamm, O. S. Wenger
Light-Driven Electron Accumulation in a Molecular Pentad
Angew. Chem. Int. Ed. (2016), doi: 10.1002/anie.201604030 (englische Version) und 10.1002/ange.201604030 (deutsche Version).

Externer Link: www.unibas.ch

Wie Wicken und Platterbsen wertvollen Ackerboden retten können

Pressemeldung der Universität Kassel vom 23.02.2016

Die Universität Kassel hat in einem internationalen Projekt Methoden entwickelt, um in verschiedensten Klimazonen kostbares Ackerland zu bewahren. Schon der geschickte Anbau bestimmter Feldfrüchte kann helfen, Ernten in Europa, Afrika und auf anderen Kontinenten dauerhaft zu sichern.

Immer weniger Ackerland muss weltweit immer mehr Menschen ernähren. Der Mensch geht fahrlässig mit dem Boden um: Nach Angaben der Welthungerhilfe gehen durch Erosion, Versalzung, Austrocknung oder Versiegelung jährlich zwischen fünf und sieben Millionen Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche verloren. Unter Leitung von Prof. Dr. Maria Finckh, Agrarwissenschaftlerin der Universität Kassel, hat eine internationale Forschungsgruppe Methoden entwickelt, um Ackerland vor Auslaugen und Erosion zu schützen – schonend und naturnah.

Im Ergebnis kann schon der Anbau von Zwischenfrüchten viel zum Erhalt von Ackerland beitragen. Diese Zwischenfrüchte werden nicht geerntet, sondern sterben ab und bilden eine Mulchschicht, die als Dünger und Bodenschutz dient. Als guter Dünger sind manche Pflanzenfamilien wie Leguminosen (Hülsenfrüchtler) schon bekannt, aber vergleichende Versuche in einer Größenordnung wie im Rahmen des Projekts OSCAR hatte es bislang nicht gegeben. Die Forschergruppe testete in den vergangenen vier Jahren insgesamt über 1000 Arten und Sorten auf ihre Eignung als Untersaaten oder Zwischenfrüchte. Die Pflanzen wurden in elf Ländern auf drei Kontinenten sowohl unter konventionellen als auch ökologischen Bedingungen mit innovativen Maschinen und Sämethoden angebaut. In einer Datenbank wurde erfasst, welche Pflanzensorte wo unter welchen Bedingungen den größten Beitrag zum Bodenschutz lieferte.

Als besonders geeignet erwiesen sich Wicken und Platterbsen (beides Leguminosen-Arten). Ihre Wurzeln leben in Symbiose mit Knöllchenbakterien, die Stickstoff sammeln – einen guten Dünger. In Mitteleuropa wirkt auch Ölrettich vorteilhaft. Ebenso wie Wicken und Platterbsen entwickelt er starke Wurzeln, was zu einem guten Schutz vor Erosion führt. „Es ist klar, dass die Zwischenfrüchte einen erheblichen Beitrag dazu leisten können, Böden zu schützen. Der Effekt ist viel größer als bislang angenommen und in allen Klimazonen nachweisbar“, so Finckh. Bedingung: „Die Pflanzen sollten nach der Ernte der Hauptfrucht auf einem Acker gesät und wenigstens drei Monate bis zur Aussaat der nächsten Hauptfrucht stehen gelassen werden.“ Im Rahmen der EU-Greening-Verordnungen werden inzwischen europaweit vermehrt Zwischenfrüchte eingesetzt.

Wertvolle Leguminosen

Als vielversprechend für den Bodenschutz erwies es sich auch, weniger auf schwere Landmaschinen und mehr auf neuartige, leichtere Anbaumaschinen zurückzugreifen. Zum Teil sind hier aber noch technische Entwicklungen nötig. Um den Anwendern Informationen gut verständlich zur Verfügung zu stellen, wurde eine mehrsprachige interaktive Informationsplattform inklusive Internet-basierter Entscheidungshilfe aufgebaut, die auch nach Projektende weiter zur Verfügung stehen wird und weiter entwickelt werden soll (www.covercrops.eu). Damit wird den Nutzern ermöglicht, für ihre jeweiligen Standorte die besten Pflanzen und Methoden zu finden und auszuprobieren.

Das EU-Forschungsprojekt OSCAR („Optimizing Subsidiary Crop Applications in Rotations“; deutsch: Optimierung der Anwendung von ergänzenden Pflanzen in Fruchtfolgen) umfasste 20 Partner aus elf Ländern Europas, Afrikas und Südamerikas und wurde mit rund drei Millionen Euro gefördert. Die Ergebnisse wurden jetzt am Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften der Universität Kassel in Witzenhausen vorgestellt.

Externer Link: www.uni-kassel.de