Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nach eigenen Angaben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie neue Dünnschicht-Photovoltaik-Materialien fünfmal schneller entwickeln und auf ihre Leistungsfähigkeit testen können als es mit herkömmlichen Verfahren möglich ist. Die Methode könne vermutlich auch in der Entwicklung von Batteriezellen und anderer komplexer Produkte eingesetzt werden. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Joule.
Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus etlichen Schichten, im MIT-Beispiel sieben, die verschiedene Funktionen übernehmen. Wenn die Leistungsfähigkeit dieses Stapels nicht den Erwartungen entspricht, gibt es viele Fehlerquellen – auch weil bei den Produktionsprozessen im Labor die Proben immer wieder etwas unterschiedlich ausfallen können. Herkömmlicherweise stellen Wissenschaftler daher kleinere Proben her, die nur zwei Schichten enthalten, und charakterisieren diese einzeln. Das ist ein zeitraubendes Unterfangen. “In der Vergangenheit war die Rate, mit der neue Materialien entwickelt wurden, langsam“, sagt Tonio Buonassisi, Professor am MIT und einer der Autoren. Typischereweise dauere es 10 bis 25 Jahre. Besonders langsam sei der Prozess, bei dem man am Anfang einer Entwicklung Fehler suche. „Die Bestimmung der Performance dauert manchmal Wochen oder Monate und die Messungen lassen oft auch nicht den Schluss auf die eigentlichen Ursachen von Performanceproblemen zu.“
Das neue Verfahren, so die Forscher in der Veröffentlichung, erlaubt es nun, den Siebenerstapel in einem Rutsch zu vermessen und trotzdem detaillierte Aussagen über die Eigenschaften der Schichten und ihr Zusammenspiel an den Grenzschichten zu erhalten. Dazu vermessen die Forscher erstens die Probe und variieren dabei unter anderem die Beleuchtungsstärke und die Spannung. Zweitens modellieren sie die physikalische Funktion des Stapels im Computer. In diese Modellierung gehen die Parameter für die Materialeigenschaften jeder Schicht ein, die es durch die Messung zu verifizieren oder zu bestimmen gilt. Um aus Modellierung und Messung am Ende Schlüsse ziehen zu können, wenden sie eine statistische Methode mit dem Namen Bayes-Inferenz an.
Die MIT-Wissenschaftler glauben, dass mit der neuen Methode Photovoltaik-Materialien innerhalb von drei bis fünf statt bisher 20 Jahren entwickelt werden könnten.
Allerdings ist zu beobachten, dass auch schon heute manche Entwicklungen erstaunlich schnell vonstatten gehen. Die Wirkungsgrade von Perowskitzellen konnten Wissenschaftler zum Beispiel innerhalb von nur wenigen Jahren auf über 20 Prozent steigern (siehe Grafik hier).
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