FORSCHUNG: Er tüftelt am Durchbruch mit der Sonne

Einem Forscherteam aus Dübendorf ist ein Weltrekord mit der Effizienz einer Solarzelle gelungen. Im Team ist auch der Urner Benjamin Bissig.

Florian Arnold
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Für gewisse Messvorgänge muss sich Benjamin Bissig auch mal auf den Boden legen. (Bild: Florian Arnold / Neue UZ)

Für gewisse Messvorgänge muss sich Benjamin Bissig auch mal auf den Boden legen. (Bild: Florian Arnold / Neue UZ)

Einen Zentimeter lang, einen halben Zentimeter breit und gerade mal ein Sechzigstel eines Haares dick: Das sind die Masse der Weltmeisterin. Die Solarzelle hat es geschafft. Als erste ihrer Art hat sie den Rekordwert von 20,4 Prozent des Sonnenlichts, das auf sie scheint, in Energie umgewandelt. Im Forscherteam rund um Professor Ayodhya Tiwari, dem dieses Meisterstück gelungen ist, mischen auch zwei Urner mit. Einer davon ist Benjamin Bissig. Der 26-jährige Physikstudent absolviert zurzeit sein Doktorat in den Labors der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf.

Unter Vakuum

Lautes Rauschen füllt den Raum, sodass man sich nur mit erhobener Stimme unterhalten kann. «Der Lärm kommt von den Vakuumpumpen», sagt Bissig. Denn die Zellen können nur in einem fast luftleeren Behälter entstehen. Bis dieser komplett leer gesaugt ist, dauert es Stunden. Dutzende Kabel, Leitungen und Armaturen sind daran festgeschraubt. Das ganze Gebilde ist verpackt mit Alufolie. Schwere Plastikvorhänge trennen den Raum vom Vorzimmer. Eintreten darf nur, wer sich einen Plastikschutz über die Schuhe stülpt oder spezielle Arbeitsschuhe trägt. Denn das Labor der Forscher soll so staubfrei wie möglich bleiben. Hier probiert das Team täglich neue Rezepte aus. Was am Schluss herauskommen soll? Eine Art «Hightech-Cremeschnitte».

Bei 450 Grad in den Ofen

Und so gehts: Auf ein Stück Plastik wird zuerst ein 0,6 Mikrometer dicker Metallfilm aufgedampft (1000 Mikrometer entsprechen einem Millimeter). Dann gehts ab in den Vakuumofen: Auf den hauchdünnen Film wird bei Temperaturen um 450 Grad das Herzstück der Zelle gebacken: der Absorber. Es handelt sich dabei um eine Mischung aus den vier Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen, abgekürzt CIGS.

«Die wichtigsten Zutaten sind bekannt», erklärt Bissig. «Was wir forschen, ist, bei welcher Temperatur und zu welchem Zeitpunkt und welcher Menge wir welche Zutat beigeben müssen, damit am Schluss die grösste Leistung herauskommt. Zusätzlich versuchen wir aber auch ständig neue Zutaten aus.» Die Absorberschicht macht am Schluss 2,5 Mikrometer aus. Im chemischen Bad folgt nun die Glasur, eine 0,05 Mikrometer dicke Pufferschicht, bis die Zelle schliesslich mit dem Sahnehäubchen, einer Aluminium-Zink-Oxid-Schicht von 0,6 Mikrometer Dicke, abgeschlossen wird.

Autodächer und Flugzeugflügel

Mit der Leistung herkömmlicher Solarzellen, die aus künstlich gezüchteten Siliziumkristallen hergestellt werden, können die CIGS-Zellen noch nicht ganz mithalten. Trotzdem birgt die Technik, an der das Team forscht, grosse Vorteile. Dadurch, dass die Zelle derart dünn ist, lässt sie sich verbiegen. Theoretisch könnten sich deshalb einst jegliche Oberflächen mit diesen Solarzellen einkleiden lassen, wie beispielsweise Autodächer, Flugzeugflügel oder krumme Hausfassaden. Vor allem aber könnte auch bei der Produktion Platz gespart werden. Denn statt eines Stapels an Solarzellenplatten könnten die fertigen Zellen einfach aufgerollt werden. Damit wäre eine Produktion «von Rolle zu Rolle» möglich. Ausserdem wird die dünne Zelle weniger Material brauchen und ist leichter als Siliziumplatten. Wie sich das Erforschte später auf die Industrie übertragen lässt, stehe weniger im Zentrum. «Was wir wollen, ist, die Limiten der Technologie zu erkunden», erklärt der Doktorand. «Wir sind keine Solarapostel, sondern bleiben immer realistisch», sagt der Urner. «Meine persönliche Meinung ist es, dass der sofortige Atomausstieg momentan noch nicht drin liegt, ohne wieder vermehrt nicht erneuerbare Energie zu nutzen. Ich glaube aber, dass die Fotovoltaik heute so weit ist, einen grossen Teil der Energie liefern zu können.»

Gefahr auf Sonnenbrand

Wenn die Zelle fertig ist, muss die Qualität überprüft werden. Dies ist die Hauptaufgabe des Urners. Er betrachtet sie zum Beispiel unter dem Elektronenmikroskop mit bis zu 100 000-facher Vergrösserung und schaut, ob bei der Herstellung alles nach Wunsch verlaufen ist. Schliesslich wird die Zelle auf ihre Fähigkeit in der Sonne erprobt. Eine mannshohe weisse Kiste simuliert exaktes Sonnenlicht, dem die Zelle ausgesetzt wird. Verkabelt mit einem Strommessgerät, lässt sich dann die Leistung erkennen. Aber Achtung: «Hier holt man sich einen Sonnenbrand, wenn man nicht aufpasst», sagt Bissig. Weiter betrachtet er das Verhalten der Zelle in starrem Zustand. Dazu kühlt er diese mit flüssigem Stickstoff ab.

Sisyphusarbeit für so ein kleines Ding? «Ohne ein Fan von Fortschritt und Technik zu sein, könnte man diese Arbeit wohl nicht machen», sagt Bissig. «Meine Arbeitsschritte sind oftmals dieselben. An keinem Tag weiss ich, wie es genau herauskommt. Aber über längere Zeit sieht man immer einen Fortschritt.»

Was ihn antreibe, sei der Spass an der Arbeit im Labor. «Ich lerne jeden Tag etwas über Technik, Elektronik oder die Physik dazu.» Momentan arbeiten die Forscher bereits am nächsten Rekord. Der aktuelle Rekord von 20,9 Prozent Effizienz soll geknackt werden. Dazu wird weiter an den Rezepturen getüftelt.