Verbesserte „Energie-Ernte“ in Solarzellen

Eine Milliarde ist sehr viel. Das wissen wir. Aber können wir uns das auch vorstellen? „Wenn Sie heute loszählen – eine Zahl pro Sekunde, acht Stunden pro Tag, 40 Stunden pro Woche. Sie würden insgesamt 145 Jahre brauchen, um bis zu einer Milliarde gezählt zu haben“, erklärt Oliver Hofmann vom Institut für Festkörperphysik. Der theoretische Physiker beschäftigt sich mit Materialdesign und untersucht, wie die Anordnung von Molekülen an der Oberfläche, die Eigenschaften von Materialien beeinflusst. Sein Ziel ist es, die Materialeigenschaften zu optimieren und schlussendlich dazu beizutragen, effizientere Solarzellen bauen zu können. „Ich komme in meiner Arbeit sehr schnell auf eine Milliarde Möglichkeiten, wie die Moleküle angeordnet sein können. Und jede Möglichkeit gibt dem Material unterschiedliche Eigenschaften“, erklärt er. „Berechnet wird das mit komplizierten quantenmechanischen Methoden, für die ein Computer nicht eine Sekunde sondern mehrere Tage braucht.“ Der Forscher arbeitet deshalb mit Supercomputern, die entweder am Vienna Scientific Cluster in Wien oder im US-Bundesstaat Illinois steht.

Förderung vom US Department of Energy

Rechenzeit an Supercomputern ist teuer. Eine Stunde kostet umgerechnet rund einen Cent. Vor allem die Klimatisierung ist kostspielig, da die raumfüllenden Rechencluster Unmengen an Wärme produzieren und für einwandfreies Funktionieren entsprechend gekühlt werden müssen. „Im Grunde bekommen wir eine sehr teure Klimaanlage bezahlt“, lacht Oliver Hofmann. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der Carnegie Mellon University, der Duke University, dem Argonne National Laboratory (alle USA), der Universität Potsdam und der TU München (beide Deutschland) und der Aalto University (Finnland) arbeitet er seit mehreren Jahren im Projekt „Materials and Interfaces for Organic and Hybrid Photovoltaics“ an verbesserten Materialien für Solarzellen.

Bereits zum dritten Mal in Folge erhielt das Konsortium für ihre rechenzeitintensive Forschung eine Förderung des US Departments of Energy, das mit seinem Programm „Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE)“ die nachhaltige und innovative Forschung an grüner Energie forcieren will. Insgesamt wurden 2018 5,78 Billionen Stunden Rechenzeit an zwei der schnellsten Supercomputer der USA an 55 Forschungseinrichtungen weltweit vergeben: einer dieser Supercomputer steht im Argonne National Laboratory, der andere am Oak Ridge National Laboratory, die sich beide auf physikalische Berechnungen und neue Energie spezialisiert haben. An das Projektkonsortium rund um Oliver Hofmann werden 2018 insgesamt 160 Millionen Stunden am IBM Blue Gene/Q am Argonne National Laboratory zur Verfügung gestellt. Die Forschungsarbeit und Interpretation der Ergebnisse wird an den unterschiedlichen Standorten der Forschungspartner erledigt – die eigentliche Rechenzeit erfolgt an Hand unzähliger Input-Files entweder am Zentrum in Wien oder in den USA.

Effiziente Solarzellen als übergeordnetes Ziel

Oliver Hofmanns Ziel im Projekt ist es, den Ladungstransfer an der Oberfläche von Solarzellen zu optimieren. Im Grunde funktioniert eine Solarzelle wie der menschliche Körper bei der Einnahme eines Medikamentes: Wird eine Tablette geschluckt, setzt sich im Magen ein Wirkstoff frei, der dann weiterverarbeitet werden kann. Bei einer Solarzelle trifft Licht auf das Material an der Oberfläche und es entstehen freie Ladungsträger, die dann aus dem Material herausgelöst werden müssen, um mit ihnen weiter arbeiten zu können. Wie schnell und effizient das möglich ist, hängt von der Grenzfläche zwischen dem aufnehmenden Material und der empfangenden Elektrode ab. Und die Eigenschaften des Materials wiederum hängen von der Anordnung der Moleküle an der Oberfläche ab.

2018 erhielt Oliver Hofmann für sein Projekt "MAP-DESIGN" den renommierten START-Preis des Wissenschaftsfonds FWF.

Hier setzt Oliver Hofmann an. Er arbeitet an einem Software-Paket, das die unzähligen Möglichkeiten simulieren und die optimale Struktur finden kann. Experimentatorinnen und Experimentatoren hätten damit ein zuverlässiges Werkzeug, das ihnen in einem ersten Schritt die optimale Molekülanordnung berechnet, ihnen im zweiten Schritt auch genau sagt, welche Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck usw.) dafür notwendig sind und ihnen in einem dritten Schritt sogar den genauen Weg zur gewünschten Struktur simuliert. Denn oft ist für die gewünschte Struktur nicht nur ein Schritt, sondern eine längere Abfolge notwendig. Ziel des Physikers ist es aber nicht, dass die Software die theoretisch beste Struktur ausspuckt, sondern die effizienteste Struktur, die praktisch auch machbar ist. „Zum Beispiel wäre es möglich, dass die optimale Struktur bei einer Temperatur von 5.000°C stabil ist. Das ist natürlich in der Realität nicht umsetzbar und wir müssen dem Programm einige Parameter vorgeben“, erklärt er.

Hoffnung in die Zukunft

Dass die Forschungsgruppe mit ihrer Arbeit auf einem guten Weg ist, zeigt unter anderem auch die Tatsache, dass die Förderung aus den USA nun bereits zum dritten Mal an das Projekt vergeben wurde. Auch der FWF fördert das Forschungsprojekt. Oliver Hofmann: „Ich will jetzt nicht sagen, wir haben es im Handumdrehen. Aber wir sind auf einem sehr guten Weg und ich glaube, dass wir bald eine Lösung für unser Problem gefunden haben.“

Dieses Forschungsgebiet ist im FoE „Advanced Materials Science“ verankert, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.
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