Praktikum am Helmholtz-Zentrum Berlin
vom 27. Oktober bis zum 6. November 2014
Von Andreas Dettmers und Sönke Eiben

Wir, Andreas Dettmers und Sönke Eiben, haben im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage im Zeitraum vom 27.10.–06.11.2014 ein Praktikum am Lise-Meitner-Campus des Helmholtz-Zentrums Berlins absolviert.

Aufbau für Herstellung der Lösungen und Vorbereitung der Proben

Am ersten Tag haben wir Diplom-Physiker Jaison Kavalakkatt kennengelernt. Mit ihm haben wir zusammen im Labor sogenannte Nanostäbchen hergestellt. Das sind sehr kleine Strukturen, die man nur unter sehr starker Vergrößerung erkennen kann. Diese Nanostäbchen haben wir mithilfe eines elektrochemischen Prozesses auf Glasplättchen gezüchtet, die bereits mit Indiumzinnoxid, einer dünnen, durchsichtigen und leitenden Schicht, überzogen waren. Diese kommt z. B. in Touchscreens oder Flachbildschirmen zum Einsatz.

Der Lösung, in der die Nanostäbchen heranwuchsen, haben wir verschiedene Mengen Magnesiumoxid beigefügt, um die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Nanostäbchen zu untersuchen. Nachdem wir mehrere Proben angefertigt haben, lagerten wir diese in einem Vakuumbehälter zwischen, um eventuelle Verunreinigungen zu vermeiden.

Am nächsten Tag haben wir die Proben mithilfe der Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Dabei wird das Material mit Licht angeregt (meist mit einem Laser) und es kommt zur spontanen Emission von Licht, auch Fluoreszenz genannt. Dieses Licht gibt Auskunft über manche Eigenschaften des Materials und wird deshalb gemessen.

Messergebnisse

Der Versuch wurde in einem dunklen Raum durchgeführt und es mussten Schutzbrillen getragen werden, da wir in diesem Fall mit einem unsichtbaren UV-Laser arbeiteten. Der Laser wurde aktiviert und wir konnten die Messergebnisse auf dem Bildschirm beobachten. Anschließend haben wir versucht, die Linse, in die das Licht eindringt, möglichst mittig zu positionieren, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

In einem anderen Labor untersuchten wir die Proben mithilfe eines Spektrometers auf Reflexion und Transmission (Durchlässigkeit) bei verschiedenen Längenwellen, um daraus die Absorption des Materials zu berechnen. Das Spektrometer wirft Licht auf das Material. Dann wird einmal der Teil des Lichts gemessen, der vom Material zurückgeworfen wird, und der Teil des Lichts, der das Material durchdrungen hat. Wenn man diese beiden Werte vergleicht, erhält man die Absorption.

Am darauffolgenden Tag haben wir mit Jaison die Proben unter dem Rasterelektronenmikroskop, kurz REM, betrachtet. Der Unterschied zu einem normalen Elektroskop besteht darin, dass man Elektronen statt Licht benutzt, um ein sichtbares Bild zu erzeugen. Hierbei werden Elektronen beschleunigt und auf das Material geschossen. Die dabei entstehende Wechselwirkung kann das Mikroskop erkennen, auswerten und letztlich dann als Graustufenbild abbilden. Dies ermöglicht im Gegensatz zum Licht eine sehr genaue Auflösung bis in den Nanometer-Bereich (im Vergleich: die Durchmesser von Atomen bewegen sich im Größenbereich von ca. 0,1nm).

Wegen der Messempfindlichkeit des REM, muss die Messkammer unter einem Vakuum stehen, da Restatome (z. B. in der Luft) die Messergebnisse verfälschen können. Wir haben die Oberflächen­beschaffenheit untersucht, von jeder Probe Bilder erstellt und auch die Zusammensetzung der Proben untersucht, um herauszufinden, ob das Magnesium in den Nanostäbchen wiedergefunden werden kann. Daraufhin haben wir in Jaisons Büro noch einmal alle Messergebnisse der vergangenen Tage betrachtet und ausgewertet.

Wir haben die nächsten zwei Tage bei Jörg Beckmann verbracht, der uns einen Lötplan für einen Temperatursensor samt Materialen zur Verfügung gestellt hat. Dort konnten wir unsere Lötkenntnisse noch einmal auffrischen und den Temperatursensor nach zwei Tagen mit der Hilfe von Jörg und seinen Auszubildenden fertigstellen.

Am Anfang der zweiten Woche haben wir Dr. Rodrigo Sáez kennengelernt. Wir trafen uns mit ihm am REM und haben dort Proben auf Oberflächen­beschaffenheit und Zusammen­setzung untersucht und Bilder und Messergebnisse erstellt. In der Arbeitsgruppe von Rodrigo geht es darum, die Pufferschicht innerhalb einer Solarzelle, die sich über der Absorber-Schicht befindet, möglichst effizient zu machen.
Ihr Ziel war es, diese Pufferschichten unter industriellen Bedingungen herzustellen, sodass sie auch außerhalb des Labors und in größerem Maßstab hergestellt werden können.

Beschichtung eines Absorbers mit dem ILGAR-Verfahren

Diese Schichten werden mit dem ILGAR-Verfahren (Ion Layer Gas Reaction) erzeugt. Hierbei wird das aufzutragende Material mit einem Ultraschallgenerator vernebelt und über die Probe geblasen, sodass sich auf der Probe das gewünschte Material absetzt. Während dies im kleinen Maßstab noch gut funktioniert, müssen in dem laboreigenen Prototypen, der größere Absorber beschichtet, viele Faktoren berücksichtigt werden.

Ritzen einer Solar­zelle
Effizienzmessung am Sonnensimulator mit künstlichem Sonnenlicht

Die Arbeitsgruppe arbeitet mit der Solarindustrie zusammen und bekommt Absorber geliefert, mit denen Solarzellen hergestellt werden können. Wir haben kleine Solarzellen für den Effizienztest am nächsten Tag vorbereitet. Dazu mussten wir unter anderem die Solarzellen ritzen, schaben und Kontakte auflöten.
Am darauffolgenden Tag haben wir im Labor einen Absorber mit dem ILGAR-Verfahren beschichtet. Vorher haben wir die Lösung, die aufgetragen wurde, hergestellt. Als nächstes haben wir die Effizienz der Solarzellen vom vorherigen Tag am Sonnensimulator bestimmt. Der Sonnensimulator verwendet zwei Lampen, die zusammen das Sonnenlicht nachahmen können. Die Solarzellen wurden kontaktiert, um so die entstehende Spannung messen zu können. Aus diesem Grund haben wir vorher Kontakte auf die Solarzellen gelötet. Die Messungen wurden mit Effizienzwerten von 12–18% abgeschlossen.

Am nächsten Tag haben wir Sven Wiesner kennengelernt. Er beschäftigt sich mit organischen Solarzellen. Im Gegensatz zu anderen Solarzellen sind organische Solarzellen anfällig gegenüber Luft und müssen deshalb unter einer Schutzatmosphäre gehalten werden. Sie sind umweltfreundlicher und kostengünstiger als normale Solarzellen, aber der größte Nachteil liegt in der geringen Effizienz.

Wir untersuchten am Rasterkraftmikroskop, kurz RKM, einige Proben. Das RKM arbeitet mit einer nanoskopisch-kleinen Nadel, die knapp über die Oberfläche der Probe gefahren wird. Mit bestimmten Wechselwirkungen kann so ein genaues Bild der Oberfläche erstellt werden. Die Messgenauigkeit lag hier bei ca. 10–20nm.

Nach den Messungen betraten wir ein Labor, das man nur mit Labormantel, speziellen Schuhen und Netzhaube betreten durfte, um eventuelle Verschmutzungen zu vermeiden. In diesem Labor befand sich unter anderem ein weiteres RKM, das durch ein Vakuum und einen Erschütterungsdämpfer eine noch genauere Auflösung bieten konnte. Es wurde eine Probe auf ihre Bandlücke untersucht.

Am letzten Tag beschäftigten wir uns mit den Solarzellen, die Sven hergestellt hatte. Diese wurden mit einem Verfahren, das dem ILGAR-Verfahren ähnelt, beschichtet. Dies geschah in einer Anlage, die fast das ganze Labor in Anspruch genommen hat. Diese Solarzellen untersuchten wir folgend auf ihre Effizienz im laboreigenen Sonnensimulator, denn die Zellen durften nicht mit Luft in Kontakt kommen. Nachdem unsere Messungen beendet waren, verabschiedeten wir uns von unseren Kollegen ein letztes Mal und bereiteten uns auf die Abreise am nächsten Tag vor.

Wir bedanken uns noch einmal recht herzlich bei den Auricher Wissenschaftstagen, beim Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie und bei all den Personen, die sich für uns Zeit genommen haben, um uns ihre Arbeit zu erklären und uns einen Einblick in die Welt eines Wissenschaftlers zu geben.

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