Archiv der Kategorie: Umwelttechnologie

Polypropylen-Recycling aus Teppichabfällen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2021

Teppichabfälle bestehen zu einem erheblichen Teil aus erdölbasiertem Polypropylen. Bislang sind sie jedoch nicht recycelbar; sie werden daher verbrannt oder deponiert. Über ein neuartiges Lösungsmittel lässt sich das Polypropylen aus Teppichabfällen in Primärqualität zurückgewinnen – ohne merkliche Qualitätseinbußen. Auch in punkto Kosten ist das Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP und seiner Partner durchaus konkurrenzfähig. Entwickelt wurde es im EU-Projekt »ISOPREP«.

Etwa 1,6 Millionen Tonnen Teppichabfälle fallen pro Jahr an – allein in der EU. Der Großteil davon wird deponiert oder verbrannt, denn Teppiche gehören zu den Verbundwerkstoffen, bei denen man mit einem rein mechanischen Recycling kaum weiterkommt. Doch damit gehen viele Ressourcen verloren, schließlich bestehen Teppichabfälle, die im Projekt ISOPREP behandelt werden, etwa zu einem Viertel aus dem erdölbasierten Kunststoff Polypropylen.

Teppich-Recycling: Neuartiges Verfahren macht´s möglich

Ein Forscherteam, dem auch das Fraunhofer IBP angehört, hat im EU-Projekt »ISOPREP« ein neuartiges Recycling-Verfahren entwickelt. »Mit diesem lässt sich erstmals Polypropylen aus Teppichabfällen zurückgewinnen – und zwar in Primärqualität«, sagt Maike Illner, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IBP. Das wiedergewonnene Polypropylen kann also nicht nur für minderwertigere Produkte verwendet werden – man spricht dabei von »Down-Cycling« – sondern kommt mit seiner Qualität an die von neu hergestelltem Polypropylen heran. Es eignet sich somit auch für hochwertige Produkte.

Basis für das Verfahren ist ein besonderes Lösungsmittel, genauer gesagt ein ionisches Liquid. Besteht dieses aus den passenden Komponenten, löst es selektiv das Polypropylen aus den Teppichfasern heraus. Bevor das Expertenteam den Teppichabfällen mit dem Lösungsmittel zu Leibe rückt, werden diese gereinigt – dabei wird unter anderem möglichst viel des Teppichrückens abgetrennt– und zerkleinert. Die vorbehandelten Teppichabfälle kommen in einen Reaktor, in dem sie mit dem Lösungsmittel behandelt werden: Das Polypropylen wird selektiv im Lösungsmittel gelöst, was für eine effektive Abtrennung von Farbstoffen und anderen Additiven sorgt. Im größeren Labormaßstab mit mehreren Litern funktioniert das Verfahren bereits. Nun arbeitet das Konsortium daran, den Prozess auf eine Pilotanlage zu übertragen: Eine Tonne Teppichabfälle soll diese pro Tag recyclen können. Zum Projektende im März 2022 soll die Pilotanlage in Betrieb sein.

Kosten und Umweltwirkung

Doch ein Recyclingverfahren kommt nur dann zum großtechnischen Einsatz, wenn es kostenmäßig konkurrenzfähig ist. Das heißt in diesem Fall: Das recht teure ionische Liquid muss möglichst vollständig im Kreislauf geführt werden. »Liegen die Verlustraten bei einem Prozent oder darunter, hat der Prozess das Potenzial, hinsichtlich der Kosten mit der Neuherstellung von Polypropylen zu konkurrieren«, fasst Illner zusammen. »Das zeigt eine vorläufige ökonomische Analyse, die wir am Fraunhofer IBP durchgeführt haben.« Dazu untersuchten die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher, welche Mengen an Material und Energie für den Prozess benötigt werden sowie was als Produkt wieder herauskommt, und errechneten die entsprechenden Kosten. Sie berücksichtigten in der ökonomischen Analyse zudem, wie sich die Kosten langfristig entwickeln könnten.

Die Ökologie des Teppich-Recyclings steht am Fraunhofer IBP im Fokus. Aufschluss gibt unter anderem die Lebenszyklusbetrachtung: Welche Emissionen beispielsweise entstehen beim Recyclingprozess? Auch hier gilt: Erreicht das Konsortium sein Ziel, die Verlustraten des Lösungsmittels auf ein Prozent und weniger zu senken, sind Primärenergiebedarf und Treibhausgasemissionen in einer ähnlichen Größenordnung wie die der Neuherstellung.

Auf andere Polypropylen-Abfallströme übertragbar

Zwar stehen Teppichabfälle im Blickpunkt des Projekts. Doch das entwickelte Verfahren kann deutlich mehr: Die Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass es sich auf eine Vielzahl an Abfallströmen übertragen lässt, die Polypropylen enthalten und für das konventionelle Recycling ungeeignet sind. »Ein Beispiel sind Polypropylen-Produkte, die Farbstoffe und Additive enthalten«, konkretisiert Illner. »Bislang ist es schwierig, diese aus dem Kunststoff herauszulösen, so dass sich das recycelte Polypropylen nur für einen minderwertigeren Einsatz verwenden lässt.« Mit dem neuen Verfahren lässt sich das Polypropylen nicht nur von anderen Materialien, sondern auch von zugesetzten Farbstoffen und Additiven trennen und steht somit einer hochwertigen Anwendung zur Verfügung.

Dieses Projekt wird mit Mitteln aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement Nr. 820787 gefördert.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Grüner Strom trifft blaues Wasser: Forschungsteam findet neuen Ansatz zur Entsalzung von Meerwasser

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 06.05.2021

Weltweit gilt Wasserstoff als ein Hoffnungsträger für die Energiewende. Aber um ihn im industriellen Maßstab zu gewinnen, muss man auf Meerwasser zurückgreifen. Dessen Entsalzung ist aber bisher nur unter großem Energieeinsatz möglich. Die Energie-Experten Yuan Zhang und Volker Presser haben einen Weg gefunden, dem Meerwasser direkt mit einer Brennstoffzelle das Salz zu entziehen, die bisher „nur“ für die Stromerzeugung genutzt wurde. Das könnte die Herstellung von Wasserstoff revolutionieren.

Ihr Prinzip haben sie in der renommierten Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Im Grunde genommen ist die Wende hin zur Wasserstoffwirtschaft ein Klacks: Von den rund 1,4 Milliarden Kubikkilometern Wasser auf der Erde (das sind 1.400.000.000.000.000.000 oder 1400 Trillionen Liter) ist die überwältigende Mehrheit als Salzwasser in den Ozeanen gut zugänglich und, das kann man wohl ohne Untertreibung sagen, in ausreichender Menge vorhanden, um die Menschheit über lange Zeit mit Energie zu versorgen. Dieses schier unerschöpfliche Gut könnte man also nutzen, um so viel Wasserstoff herzustellen, wie man nur braucht, um daraus Strom zu gewinnen. Die „grüne“ Energiewende weg von fossilen Energieträgern wäre geschafft.

Dass das noch niemand gemacht hat, liegt an einem kleinen, aber feinen Haken: „Heutige Elektrolysesysteme können keinen Wasserstoff aus salzhaltigem Wasser gewinnen“, bringt es Volker Presser auf den Punkt. Der Professor für Energie-Materialien an der Universität des Saarlandes und Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien ist einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Energiespeicherung. Seine Arbeiten insbesondere auf dem Gebiet der Elektrochemie finden internationale Beachtung in hochrangigen Zeitschriften.

Gemeinsam mit seiner Doktorandin Yuan Zhang ist ihm nun ein großer Schritt in Richtung „Energie aus Meerwasser“ gelungen – im experimentellen Maßstab zumindest. Bisherige Systeme sehen vor, dass Wasserstoff für Brennstoffzellen erzeugt wird, indem man zuvor mit viel Energie deionisiertes (also entsalztes) Wasser aus Meerwasser herstellt, um aus diesem aufbereiteten Wasser wiederum Wasserstoff zu gewinnen. Denn nur so ließe sich genügend Wasserstoff herstellen, ohne die begrenzten, wertvollen Süßwasservorräte drastisch zu verringern. Dieses Verfahren ist aber nicht wirklich nachhaltig, wenn die Energie zur Entsalzung nicht vollständig aus regenerativen Quellen stammt. „Yuan Zhang hatte nun eine revolutionäre Idee: Wir benutzen einfach die Brennstoffzelle selbst, um das Meerwasser zu entsalzen und anschließend Süßwasser zu erhalten, das dann in der Brennstoffzelle für die Wasserstofferzeugung genutzt werden kann“, so Energie-Experte Presser.

Dazu haben sich er und seine Doktorandin einen simplen und für jedermann nachvollziehbaren Experiment-Aufbau überlegt: Aus einer Brennstoffzelle für den Schulbedarf haben sie eine Anlage gebaut, die aus dem Ausgangsstoff Salzwasser am Ende Süßwasser erzeugt und dazu noch Strom und Wärme produziert, die wiederum in die Gewinnung von Wasserstoff investiert werden können. Das im Salzwasser vorhandene Salz (vor allem NaCl, Kochsalz) wird dabei durch die Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff gezwungen, seine Verbindung mit dem Wasser aufzulösen. Es entstehen neben dem dann entstandenen Trinkwasser (das man im Anschluss für die Gewinnung von Wasserstoff nutzen kann) eine Säure (insbesondere HCl; Salzsäure) und eine Base (insbesondere NaOH, Natriumhydroxid) als Zwischenprodukte. „Außerdem erzeugen wir an dieser Stelle Elektrizität, die wir weiter nutzen können“, so Volker Presser. Die Säure und die Base erzeugen, wenn man sie zum Schluss wieder zusammenbringt, zusätzlich Wärme, die man ebenfalls weiter nutzen kann.

„Wir können nun also aus jeder Brennstoffzelle ein Modul bauen, das nicht nur Strom generiert, sondern ganz nebenbei auch Trinkwasser erzeugt. Dieses kann dann auch für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Man braucht dazu halt Wasserstoff, aber den kann man über Elektrolyse ‚grün‘ mit ‚Power to Gas‘ herstellen“, erklärt Volker Presser den möglichen Nutzwert des neuen Technologieansatzes, der in weiterer Zukunft in großem Maßstab zum Einsatz kommen könnte.

Publikation:
Zhang et al., Electrocatalytic fuel cell desalination for continuous energy and freshwater generation, Cell Reports Physical Science (2021)

Externer Link: www.uni-saarland.de

Schritt in Richtung Massenmarkt

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 05.05.2021

Redox-Flow-Batterien eignen sich hervorragend, um große Mengen regenerativer Energien zu speichern. Allerdings waren sie bislang noch zu teuer für den Massenmarkt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben nun das »Herz« einer Redox-Flow-Batterie – den Stack – vollständig re-designt – und konnten so den Materialeinsatz und die Kosten massiv senken. Dafür erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.

Sonne und Wind orientieren sich nicht an unserem Strombedarf – regenerative Energie muss daher bis zum Verbrauch gespeichert werden, zum Beispiel in Redox-Flow-Batterien. Diese sind sowohl zyklenstabil – ihre Kapazität nimmt also auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab – als auch nicht brennbar und lassen sich in puncto Leistung und Kapazität auf den Bedarf auslegen. Zudem brauchen sie keine kritischen Materialien, und ihre Elektrolyte können vollständig zurückgewonnen werden. Aber: Bis dato waren sie schlichtweg zu teuer für den Massenmarkt.

Kostengünstig, leicht und kompakt

Forscher des Fraunhofer UMSICHT konnten nun dieses Problem nachhaltig lösen: Sie haben die Herstellungsweise des zentralen elektrisch leitfähigen Kunststoffs neu erfunden, so dass dieser flexibel bleibt und sich verschweißen lässt. Dieses neue Verfahren hat erhebliche Auswirkungen auf die Redox-Flow-Batterien. »Der entwickelte Stack, das Herzstück einer jeden Redox-Flow-Batterie, ist von den Materialkosten her 40 Prozent günstiger, auch die Produktionskosten konnten deutlich gesenkt werden. Der Stack wiegt 80 Prozent weniger als ein herkömmlicher Stack und ist nur etwa halb so groß«, fasst Prof. Christian Doetsch zusammen. Vermarktet wird der Stack vom Spin-off Volterion. Für diese Entwicklung erhalten Christian Doetsch und Lukas Kopietz vom Fraunhofer UMSICHT sowie Dr. Thorsten Seipp von der Volterion GmbH & Co. KG den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründete ihre Entscheidung unter anderem mit »der Ausgründung und dem erfolgreichen Exit von Fraunhofer, die prototypisch den Weg der Vermarktung von neuen Fertigungstechnologien zeigen«.

Üblicherweise bestehen die Stacks aus 160 gestapelten Komponenten, die mit einer Vielzahl von Schrauben und massiven Metallplatten zusammengehalten und mit zahlreichen Dichtungen abgedichtet werden. Ein Teil dieser Komponenten wird spritzgegossen und ist aufgrund der für den Spritzguß notwendigen hohen Drücke und Temperaturen spröde wie eine Bleistiftmine. Um dies zu umgehen, verwendet das Forscherteam zwar ähnliche Ausgangsstoffe, also Grafite und Ruße, ging aber auf andere Art und Weise an den Prozess heran: Pelletförmiger Kunststoff wird auf bis zu minus 80 Grad gekühlt, zu Pulver zermahlen und mit 80 Gewichtsprozent Graphit gemischt. Das entstehende Pulver schickt das Forscherteam durch ein System aus mehreren Walzen mit verschiedenen Temperaturen und Geschwindigkeiten. Zwischen den Walzen wird das Pulver bei moderaten Temperaturen und geringen Drücken kurz aufgeschmolzen, geknetet, zu einer »Endlos-Platte« gewalzt und schließlich aufgerollt. »Das neue Material erhält dabei thermoplastische Eigenschaften, es ist also biegsam und verschweißbar, obwohl der Kunststoff nur einen Anteil von 20 Prozent hat«, erläutert Lukas Kopietz. Der Stack kommt somit ohne eine einzige Dichtung aus, auch Schrauben sind überflüssig – die Zellen werden einfach miteinander verschweißt. Ein weiterer Vorteil: Über diese Methode lassen sich Bipolarplatten nicht nur deutlich schneller und damit kostengünstiger herstellen, es gibt auch keine Größenbegrenzung mehr. Bipolarplatten mit bis zu mehreren Quadratmetern sind problemlos möglich.

In der Volterion GmbH & Co. KG bis zur Batterie umgesetzt

Der zweite entscheidende, weil kostensenkende, Schritt war die Entwicklung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens: das Pulver-zu-Rolle-Verfahren, in dem sich die Bipolarplatten als Endlos-Rolle fertigen lassen. Auf diese Weise lassen sich sehr dünne Platten herstellen. Ist die Plattendicke beim Spritzgießen produktionsbedingt auf mehrere Millimeter begrenzt, kann sie beim Pulver-zu-Rolle-Verfahren zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter dünn werden. Es ist also deutlich weniger Material notwendig, was den Preis wiederum senkt sowie leichtere kompaktere Stacks ermöglicht. »All dies verschafft ganz neue Möglichkeiten in der Konstruktion, die wir in der Volterion GmbH & Co. KG bis hin zur ganzen Batterie umgesetzt haben«, sagt Thorsten Seipp. Mittlerweile hat Volterion bereits über tausend Stacks gebaut und verkauft.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Stauseen: Die Ressource Wasser einfacher schützen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.03.2021

Internationales Forschungsprojekt entwickelt anwendungsfreundliche Methoden zur vorausschauenden Beurteilung der Wasserqualität in Stauseen – Verringerter Datenbedarf ermöglicht globalen Einsatz

Stauseen sind weltweit für die Trinkwasserversorgung unverzichtbar. Um die Reservoire vor Verlandung, Überdüngung und Verunreinigung durch Schadstoffe zu schützen, muss ihre Wasserqualität vorausschauend beobachtet werden. Ein deutsch-brasilianisches Konsortium unter Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat einfach anwendbare Mess- und Monitoringmethoden entwickelt, die sich besonders für Regionen mit begrenzter Datenverfügbarkeit eignen. Die Projektergebnisse belegen unter anderem, wie wirksam das gezielte Aufforsten im Einzugsgebiet von Stauseen ist.

Wird eine Verschlechterung der Wasserqualität frühzeitig erkannt, lassen sich Maßnahmen rechtzeitig implementieren und gefährdete Stauseen länger erhalten. Umweltmodelle unterstützen dabei, Stoffeintrag und Wasserqualität zu beobachten und zu beurteilen. Bisherige Modelle erfordern jedoch sehr große Datenmengen und einen hohen messtechnischen Aufwand; das macht sie ungeeignet für die Anwendung in datenschwachen Regionen. Das interdisziplinäre Projekt „Multidisziplinäre Datenerfassung als Schlüssel für ein global anwendbares Wasserressourcenmanagement“ (MuDak-WRM) hat in dreieinhalbjähriger Forschung in Brasilien und Deutschland Monitoringansätze, Modelle und Messtechniken erarbeitet, die möglichst einfach und allgemein verfügbar sind. Sowohl für die Berechnung der Wasserbilanz – der Differenz zwischen Wasseraufnahme und -abgabe – als auch für die Berechnung der Stoffeinträge aus dem Einzugsgebiet wurden Satellitendaten genutzt. „Wir haben gesehen, dass sich auch mit weniger Daten aussagekräftige Ergebnisse erreichen lassen“, sagt Dr. Stephan Hilgert, Geoökologe am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) des KIT und Koordinator des Projekts.

Automatisierung der Datenverarbeitung

In das bisherige Stoffeintragsmodell fließt eine Vielzahl unterschiedlicher Informationen ein. Daher hat sich das Projektteam auf die beiden wichtigsten Eintragspfade konzentriert: die Stoffeinträge durch Erosion der Landoberfläche und die Abwassereinträge aus dem urbanen Umfeld im Zuflussgebiet von Stauseen. Exemplarisch untersucht wurden die Große Dhünntalsperre in Nordrhein-Westfalen und der Passaúna-Stausee im brasilianischen Bundesstaat Paraná.

„Ein wesentlicher Punkt war die Automatisierung der Verarbeitung von Satellitendaten, die zum Berechnen der Wasserbilanz und der Stoffeinträge etwa von Phosphor und Feststoffen genutzt werden“, erläutert Hilgert. Die erfolgreiche Automatisierung vereinfache die Anwendung der Modelle deutlich und erhöhe ihre Genauigkeit und Übertragbarkeit auf andere Einzugsgebiete. Das Konsortium aus Wissenschaft, kommunalen Verbänden und Industrieunternehmen hat Sensoren und Plattformen zur kontinuierlichen Erfassung der Wasserqualität entwickelt sowie eine Onlineplattform (Sensor Web) erarbeitet, mit der sich die Daten nutzerfreundlich erfassen, speichern und auswerten lassen.

Wirkung von Aufforstung berechnet

Die Projektergebnisse belegen unter anderem, dass eine Aufforstung von nur drei Prozent der landwirtschaftlich genutzten Fläche im Einzugsgebiet des Passaúna-Stausees zu einer Reduzierung der Sedimenteinträge von bis zu 26 Prozent führen kann. „Das Verlanden von Stauseen, durch das sich ihr Stauvolumen verringert, ist ein fundamentales Problem der kommenden Jahrzehnte, denn die Menschheit verliert aktuell mehr Stauvolumen, als hinzukommt“, sagt Hilgert.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass im Sediment gebundene Nährstoffe durch den Klimawandel in tieferen Schichten von Stauseen künftig die Wasserqualität verschlechtern können. „In den Subtropen befindet sich viel Phosphor bindendes Eisen im Boden und damit auch im Stausee-Sediment. Eisen bindet Phosphor aber nur, solange ausreichend Sauerstoff im Wasser zur Verfügung steht. Fehlt bei steigender Wassertemperatur längere Zeit Sauerstoff, kann sich der Phosphor lösen, was zur plötzlich massenhaften Vermehrung von Cyanobakterien, der Algenblüte, führt, und das Gewässer kippt“, erläutert der Geoökologe. Um diese Gefahr rechtzeitig zu erkennen, müssten Stauseebetreiber zusätzlich zur Auswertung von Satellitenbildern den Gewässerzustand, aber auch die Sedimentzusammensetzung seeintern überwachen, so Hilgert.

Das Projekt MuDak-WRM

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das 2017 begonnene und 2021 beendete Projekt MuDak-WRM mit 2,6 Millionen Euro in der Fördermaßnahme GROW (Globale Ressource Wasser) im Zuge des Programms „FONA – Forschung für Nachhaltigkeit“ gefördert. Am KIT waren die beiden Fachbereiche des IWG Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft sowie Wasserwirtschaft und Kulturtechnik sowie das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) eingebunden. Zum Forschungskonsortium gehörten auf deutscher Seite die Universität Koblenz-Landau, der Wupperverband sowie die Unternehmen 52°North – Initiative for Geospatial Open Source Software GmbH, EFTAS Fernerkundungs-Technologietransfer GmbH, Hydron GmbH und TRIOS Mess- und Datentechnik GmbH. Auf brasilianischer Seite waren die Staatliche Universität von Paraná (UFPR) und die Universität Positivo sowie der Wasserversorger SANEPAR aktiv beteiligt. Assoziierte Partner in Brasilien waren das Instituto Paranaense de Assistência Técnica e Extensão rural (Paranaensisches Institut für ländliche Entwicklung, EMATER) und das Instituto das Aguas do Paraná (Wasserinstitut des Bundesstaates Paraná). (afr)

Externer Link: www.kit.edu

Perowskit-Schichten genau beleuchtet

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.02.2021

Effiziente Materialien für Solarzellen der Zukunft – Neues Modell zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute

Perowskit-Halbleiter gelten als vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Wie gut geeignet ein Halbleiter für die Anwendung in der Photovoltaik ist, lässt sich unter anderem an der sogenannten Photolumineszenz-Quantenausbeute erkennen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals exakt bestimmen lässt. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Matter. (DOI: 10.1016/j.matt.2021.01.019)

Photovoltaik trägt wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei. Entscheidend für den Wirkungsgrad von Solarzellen, die Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, ist das eingesetzte Material. Metall-Halid-Perowskite gelten als besonders vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Mit diesen Halbleitern, die ihren Namen der speziellen Perowskit-Kristallstruktur verdanken, ist in den vergangenen Jahren eine deutliche Effizienzsteigerung gelungen: Perowskit-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von bis zu 25,5 Prozent erreicht – nicht mehr weit entfernt von dem der marktdominierenden Silizium-Solarzellen. Zudem sind die für Perowskit-Solarzellen benötigten Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden, die Solarzellen lassen sich einfach und günstig herstellen und vielseitig einsetzen. Der bei Perowskit-Solarzellen theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei ca. 30,5 Prozent.

Um diesem Wirkungsgrad nahezukommen, muss die optoelektronische Qualität der Perowskit-Halbleiter weiter steigen. Grundsätzlich gilt, dass für die Photovoltaik geeignete Materialien Licht nicht nur absorbieren, sondern auch effizient wieder emittieren sollen – ein als Photolumineszenz bezeichneter Prozess. Die zugehörige Messgröße, genannt Photolumineszenz-Quantenausbeute, ist damit hervorragend geeignet, die Qualität der Perowskit-Halbleiter zu bestimmen. Forschende am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg sowie der Technischen Universität Dresden ein neues Modell entwickelt, mit dem sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute von Perowskit-Schichten erstmals zuverlässig und exakt bestimmen lässt. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Zeitschrift Matter.

Materialien bergen mehr Optimierungspotenzial als angenommen

„Unser Modell erlaubt, die Photolumineszenz-Quantenausbeute unter Sonneneinstrahlungsbedingungen exakter als bisher zu ermitteln“, erklärt Dr. Paul Faßl vom IMT des KIT. „Dabei kommt es auf das Photonen-Recycling an, das heißt auf den Anteil der vom Perowskit emittierten Photonen, der innerhalb der dünnen Schichten reabsorbiert und wieder reemittiert wird.“ Die Forschenden wandten ihr Modell auf Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3) an, einem der Perowskite mit der höchsten Photolumineszenz-Quantenausbeute. Diese wurde bisher auf rund 90 Prozent geschätzt, beträgt aber nach den Modellberechnungen ca. 78 Prozent. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erläutern, berücksichtigten die bisherigen Schätzungen den Effekt von Lichtstreuung nicht angemessen und unterschätzten daher die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen – die Quanten der Lichtenergie – aus der Schicht entweichen, bevor sie reabsorbiert werden. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Potenzial für die Optimierung dieser Materialien deutlich höher ist als bisher angenommen“, sagt Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Gruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am IMT des KIT. Das Forschungsteam stellt eine Open-Source-Anwendung bereit, mit der sich die Photolumineszenz-Quantenausbeute verschiedener Perowskit-Materialien anhand ihres Modells berechnen lässt. (or)

Originalpublikation:
Paul Fassl, Vincent Lami, Felix J. Berger, Lukas M. Falk, Jana Zaumseil, Bryce S. Richards, Ian A. Howard, Yana Vaynzof, Ulrich W. Paetzold: Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling. Matter. Cell Press, 2021. DOI: 10.1016/j.matt.2021.01.019.

Externer Link: www.kit.edu