Gro , B.

Henninger, S.

Kirchartz, T.

Lips, K.

Rech, B.

Reichenauer, G.

Reineke Koch, R.

Schmücker, M.

Wischmann, W.

HZB Repository

Schlüsselmaterialien für TechnologiedurchbrücheHZB Prof. Dr. Klaus Lips lips@helmholtz-berlin.deProf. Dr. Bernd Rechbernd.rech@helmholtz-berlin.deZAE Bayern Dr. Gudrun Reichenauer reichenauer@zae.uni-wuerzburg.deJülich Prof. Thomas Kirchartz t.kirchartz@fz-juelich.deZSW Dr. Wiltraud Wischmann wiltraud.wischmann@zsw-bw.deDLR Prof. Dr. Martin Schmücker martin.schmuecker@dlr.deFraunhofer ISE Dr. Stefan Henninger stefan.henninger@ise.fraunhofer.deISFH Dr. Rolf Reineke-Koch r.reineke-koch@isfh.deIZESDr. Bodo Groß gross@izes.deUm die Energiewende langfristig erfolgreich gestal-ten zu können, sind Durchbrüche in der Materialfor-schung notwendig. Ziel ist es, Materialien so zu ent-wickeln, dass sie optimale Wandlungseffizienzengewährleisten bei gleichzeitig geringem Energie- undRessourceneinsatz. Dieser Beitrag soll zeigen, an welcher Stelle und inwelchem Umfang Erfolge durch die Materialfor-schung erzielt werden können. Technologieentwicklung vs.T echnologiedurchbruchDie Entwicklung von Bauelementen ist in der Regelein komplexes n-dimensionales Optimierungspro-blem, wobei n für eine große Zahl an Freiheitsgradender Material- oder Bauelementherstellung steht.Durch vorhandenes „Know-how“ kann mit Hilfe voneinfachen analytischen Methoden, die ein schnellesFeedback erlauben (Fingerprint-Analytik), rechtschnell eine Verbesserung der Technologie erzieltwerden (Reduzierung der Kosten, Verbesserung desWirkungsgrads). Eine Technologieentwicklung stößt aber an ihreGrenzen, wenn zusätzlich ein fundiertes Verständnisder physikalisch-chemischen Grundlagen notwendigist, um weitere Verbesserungen zu erreichen – das„Know-why“ gewinnt entscheidende Bedeutung.Dazu müssen analytische und theoretische Metho-den entwickelt werden, die in der Regel in der Grund-lagenforschung ausgearbeitet und in der Praxis an-gewendet werden können. Ein technologischerDurchbruch wird schließlich dann erzielt, wenn esgelingt, das „Know-why“ in ein „Know-better-how“zu überführen. Im Folgenden soll an einigen Beispielen von Mit-gliedsinstituten des FVEE erläutert werden, welcheMöglichkeiten die Materialforschung für solcheDurchbrüche bereithält und wie der Aufbau vonneuen Forschungsinfrastrukturen dazu wesentlichbeitragen kann.Perowskit-SolarzellenDie Wirkungsgradentwicklung verschiedener Photo-voltaik-Technologien von den 70er Jahren bis heutewird im sogenannten NREL-Chart [1] dargestellt (Abbildung 1). Der Trend dieser Technologieentwick-lung ist stetig positiv und von sehr vielen Durchbrü-chen gekennzeichnet. Für die letzten 40 Jahre lässtsich eine durchschnittliche Verbesserung des Wir-kungsgrades von ca. 0,5% pro Jahr beobachten.Dabei ist erwähnenswert, dass die Photovoltaik dieEnergietechnologie mit dem noch höchsten Entwick-lungspotenzial ist. Der physikalisch mögliche Wir-kungsgrad liegt bei über 80% (bei maximal mög -licher Konzentration des Sonnenlichts von ca.46000-fach), welcher aber bei einfacher Fortsetzungobiger Technologieverbesserung weitere 80 Jahre in-tensiver Forschung und Entwicklung nach sich ziehenwürde. Um den Wirkungsgrad aus existierenden Technolo-gien heraus schneller zu verbessern, bedarf es der Im-plementierung von Stapelzellen, die verschiedeneMaterialien miteinander kombinieren, die gemein-sam eine höhere Energieausbeute erzielen. Eine Ma-terialgruppe, welche sich von ihren optischen undelektrischen Eigenschaften hierfür in Kombination mitbestehenden Technologien wie Silizum oder Verbin-dungshalbleitern hervorragend eignet, sind die soge-nannten Perowskite.Die Perowskit-Solarzellen haben in einem nur sehrkurzen Entwicklungszeitraum von sechs Jahren Wir-kungsgradsteigerungen von 3% pro Jahr erreichtund auf kleinen Flächen Wirkungsgrade von über20% demonstriert. Können diese Materialien zu einerSchlüsseltechnologie für die Photovoltaik werden?Um diese Frage schnell zu beantworten, brauchenwir das angesprochene „Know-better-how“, umdiese neue Technologien zu verstehen, zu optimierenund in eine geeignete Produktion zu überführen.Perowskite nutzen den blauen Anteil des Sonnen-lichts besser und können daher in Kombination mitSilizium- oder Chalkopyrit-Solarzellen (CIGS, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) in einer sogenanten Sta-pelzelle (Tandemsolarzelle) das gesamte Sonnenspek-trum wesentlich effizienter nutzen. Der Wirkungsgradder besten individuellen Zellen liegt zwischen 18%und 28 %. Bliebe diese Leistung auch in einer Stapel-zelle erhalten, wäre das Wirkungsgradpotenzial einersolchen Stapelzellentechnologie bei über 35%. Leider weisen die Perowskite noch einige wesentlicheHerausforderungen auf: •   Es sind komplexe Hybrid-Materialien, die in einersogenannten Perowskit-Kristallstruktur wachsenund unter anderem Blei und Halogene enthalten.Auf Grund seiner Toxizität muss das Blei in dieserStruktur ersetzt werden. 70Phasen der Stromwende • Materialforschung FVEE • Themen 2014•   Auch ist die Hochskalierung auf große Flächen imAnsatz noch nicht verstanden. •   Darüber hinaus ist die Langzeitstabilität der Pe-rowskit-Solarzellen derzeit noch nicht zufrieden-stellend. Um die genannten Herausforderungen zu überwin-den, bedarf es größter Anstrengungen, die gemein-sam vom HZB, Jülich und ZSW angegangen werden.Absorberbeschichtung für Solarthermische AnwendungenDas oben beschriebene Vorgehen in der Materialfor-schung lässt sich auch auf andere Themengebiete an-wenden, beispielsweise bei der Solarthermie. Ziel istes dabei, das Sonnenlicht in Wärme umzuwandeln.Um dieses Ziel zu erreichen, muss ein möglichst gro-ßer Anteil der eingestrahlten Solarenergie auf ein Medium wie Wasser übertragen werden. Es gilt, Re-flexion und Abstrahlverluste zu minimieren bzw. ent-sprechende Absorberschichten zu entwickeln, welchemöglichst viel Energie absorbieren. Dazu wird bei-spielsweise eine schwarze Oberfläche verwendet,welche jedoch auch gleichzeitig wieder viel Wärmeabstrahlt. Unter anderem ist es der Firma Almeco gelungen, diese Abstrahlung der Wärme zu minimie-ren. Mittlerweile sind Absorberbeschichtungen ver-fügbar, welche 95% der Solarstrahlung absorbierenund nur noch 5% des Wärmeverlusts eines Schwar-zen Strahlers emittieren. Am IZES werden innerhalbder Forschungsgruppe „Angewandte Solartechnik“seit etwa 15 Jahren entsprechende Prüfungen solar-thermischer Anlagen und deren Komponenten fürverschiedene Hersteller durchgeführt. Schwerpunkteder Forschungsarbeit liegen derzeit in der verbesser-ten Systemintegration thermischer Solartechnikdurch den Einsatz zusätzlicher, effizienter Technolo-gien (wie Hybrid-Kollektoren, Latentwärmespeicherund Wärmepumpen). Weitere Schwerpunkte sindForschungsarbeiten im Bereich der Normung undZertifizierung, sowie des Know-how-Transfers inSchwellen- und Entwicklungsländer.Solarkollektoren mitW ärmeschutzverglasungDas ISFH arbeitet ebenfalls an Effizienzsteigerungenfür die Solarthermie. Hier wird ein robuster Flach-Kol-lektor entwickelt, dessen Wärmeverluste durch eineIsolierverglasung stark reduziert werden. Der Glaszwi-schenraum ist mit Argon gefüllt, um die Wärme -leitung und Konvektionsverluste zu reduzieren. We-sentlich ist hierbei eine besondere Beschichtung derIsolierverglasung. Der Technologiedurchbruch istdurch ein Verfahren gekennzeichnet, das es erlaubt,Glasplatten in Größen von 18 Quadratmetern bei relativ niedriger Temperatur zu beschichten. Das Po-71FVEE • Themen 2014Phasen der Stromwende • Materialforschung Dh ≈ 0.5%/a: Dh≈ 3%/a: Abbildung 1 Wirkungsgradentwick-lung verschiedener Photovoltaik-Technologien© NREL (National RenewableEnergy Laboratory)tenzial dieser neuen Flach-Kollektoren ist enorm, daEffizienzsteigerungen von bis zu 70% im typischenArbeitsbereich erreicht worden sind. Dadurch lassensich auch die höheren Kosten der Verglasung kom-pensieren. Die genannten Beispiele zeigen Techno -logiedurchbrüche, die stark auf den Erkenntnissen beruhen, die in der Materialforschung gewonnenwurden. Schlüsselmaterial AerogelAerogele sind poröse Materialien, die über ein Bottom-up Verfahren (Sol-Gel Prozess) hergestelltwerden. Über Einstellung der Syntheseparameterlässt sich die Größe der Sol-Partikel und deren3-dimensionale Vernetzung zu einem Gel sehr detail-liert kontrollieren. Ziel der anschließenden Trocknungist, das im Gel vorliegende Festkörpergerüst zu erhal-ten und lediglich das Lösungsmittel im Gel durch Luft(Aerogel) zu ersetzen.Mit diesem Verfahren lassen sich poröse Werkstoffemit maßgeschneiderter chemischer Zusammenset-zung (auch: hochrein) und mittleren bis hohen Po-rositäten (bis zu 99%) in Kombination mit gezielteinstellbaren Porengrößen im Sub-Mikrometerbe-reich (1–1000 nm) bereit stellen. (Entsprechend kannman selbst in rein Metalloxidbasierten oder organi-schen Aerogelen spezifische Oberflächen von meh-reren 100 m2/g erreichen (bei Kohlenstoff-Aerogelenbis zu 2000 m2/g)).Die Toolbox, die dieses Verfahren bereit stellt, ist fastunbegrenzt, da beliebige Formkörper auch als Kom-posite synthetisiert werden können, indem grobpo-rige Matrizes mit der Sol-Vorstufe infiltriert werdenoder Additive, z. B. in Form von Nanopartikeln, in derProzessierung zugegeben werden, um den Werkstoffspezifisch zu funktionalisieren.Methoden bei der Material-Entwicklung wie Rönt-genstreuung oder NMR-Bildgebung (= Nuclear Magnetic Resonance = Kernspinresonanz) sowie Modellierungen haben bei der Entwicklung von maß-geschneiderten Schlüsselstrukturen z. B. für den Be-reich Aerogel als Wärmedämmkomponente enormgeholfen.Metallorganischen GerüstverbindungenAdsorptionsprozesse an hochporösen Materialiensind heute das Kernelement in zahlreichen techni-schen Verfahren. Dazu zählen z. B. die Gasspeiche-rung und -trennung, thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen. Zum Einsatzkommen dabei klassischerweise Silicagele, Zeolitheoder Silica-Aluminophosphate. Im Mittelpunkt der Forschung steht derzeit die neueMaterialklasse der metallorganischen Gerüstverbin- dungen (metal organic frameworks, MOFs). Diese kri-stallinen Verbindungen basieren auf einem einzigar-tigen chemischen „Baukastensystem“ und vereineneine bislang nicht gekannte chemische Variabilität,mit teils enorm hohen inneren Oberflächen (SBET >4000 m²/g). Weiterhin zeigen diese Materialien imVergleich zu den oben genannten klassischen Mate-rialien eine z. T. um den Faktor 4 höhere Aufnahme-kapazität für verschiedene Kältemittel. Als direkteFolge erhöhen sich die Anforderungen an den Stoff-und Wärmetransport, besonders bei zyklisch betrie-benen Anwendungen wie Adsorptionswärmepum-pen und -kältemaschinen. Zum einen muss eine guteZugänglichkeit des Kältemittels (z. B. Wasser, Alkohol)an den Oberflächen und damit den Adsorptionszen-tren gewährleistet sein, zum anderen muss eine hohethermische Ankopplung erreicht werden, um die ent-stehende Wärme schnell abführen zu können. Sorptivbeschichtete Wärmeübertragerstrukturen stellen fürzahlreiche Anwendungen die optimale Lösung dar.  Am Fraunhofer ISE wurden zwei komplementäre Be-schichtungsverfahren entwickelt, die diese Voraus -setzungen hervorragend erfüllen, und bereits zumPatent angemeldet wurden:1.  Binderbasierte Beschichtung: hier wird das Sorp-tionsmaterial zusammen mit einem Haftvermittler(Binder) auf die Trägerstruktur aufgebracht. DiesesVerfahren kann bereits auf einen industriellenMaßstab angewandt werden. 2.  Direktaufkristallisationsverfahren, welches zumBeispiel in Adsorptionskältemaschinen oder -wär-mepumpen angewandt werden kann.Oxidische faserverstärkte Keramik für dieGasturbineFaserverstärkte Keramik erweitert die hohe Tempera-turbeständigkeit monolithischer Keramik um gutemechanische Eigenschaften, wie insbesondere einnicht-sprödes Versagensverhalten. Dadurch werdenHochtemperaturanwendungen, in denen neben ho -hen Bauteiltemperaturen auch mechanische Bean-spruchungen auftreten, für keramische Werkstoffe zu-gänglich. Oxidische Faserkeramik (z. B. bestehendaus Aluminiumoxid) weist zusätzlich eine hohe Kor-rosionsbeständigkeit auf. Ein derartiges Material wirdam Institut für Werkstoff-Forschung des DLR Kölnunter dem Namen „WHIPOX“ entwickelt und derzeitim Rahmen verschiedener Projekte für den industriel-len Einsatz vorbereitet. Ein wesentlicher Fokus liegtdabei auf Bauteilen im Heißgaspfad von Turbinen, dadort eine Erhöhung der Temperaturbeständigkeit derverwendeten Bauteile benötigt wird. Durch höhereBrennertemperaturen kann der Wirkungsgrad des Systems signifikant erhöht werden. Dies erhöht die72Phasen der Stromwende • Materialforschung FVEE • Themen 2014Effizienz von (Mikro-) Gasturbinen, die durch ihre flexible Einsatzmöglichkeit eine wichtige Rolle in derEnergiewende spielen.Der Einsatz von keramischen Faserverbundwerkstof-fen im industriellen Maßstab erfordert eine hoheKenntnis der Materialeigenschaften. Diese könnenstark temperatur-, last- und zeitabhängig sein. DieAuslegung von Bauteilen, wie beispielsweise einesthermomechanisch beanspruchten Flammrohrs einerGasturbine, wird durch Simulationen gestützt. Einewesentliche Rolle spielt dabei die Finite Elemente Me-thode, welche häufig für die Abbildung von struktur-mechanischen Problemstellungen angewendet wird.Durch dieses Mittel können maximal beanspruchteBereiche eines Bauteils identifiziert und vorliegendeSpannungen mit Materialkennwerten verglichen wer-den. Bei der Auslegung von Bauteilen aus „WHIPOX“wird erweiternd ein stochastischer Ansatz verfolgt.Dies liegt im Vorhandsein von statistisch verteiltenDefekten (Poren) im Werkstoff begründet. Durch die-sen Berechnungsansatz können Bauteilausfallwahr-scheinlichkeiten ermittelt werden, was die künftigeAnwendung des Werkstoffs auch in Bereichen ermög-licht, die hohe Sicherheit gegen Ausfall erfordern.EMIL: Energy Materials In-Situ Laboratory BerlinIn den oben genannten Beispielen spielt die Materi-alforschung und die dezidierte Röntgenanalytik andünnen Schichten eine entscheidende Rolle. In vielenFällen werden die elektronischen und optischen Eigenschaften von den jeweiligen Grenzflächen ge-prägt. Ein fundiertes Verständnis der chemisch-elek-tronischen Eigenschaften dieser Grenzflächen sowiederen mikroskopischer Struktur und deren gezielteOptimierung sind unabdingbar für eine gezielteMaterialentwicklung.  Synchrotron-basierte röntgenspektroskopische Ana-lysemethoden bieten hier einzigartige Möglichkeiten,da sie sehr direkt die elektronisch-chemische undmorphologische Struktur von Ober- und Grenzflä-chen abbilden können. Um solche Messungen amrealen Bauelement mit einer Vielzahl von Schicht-strukturen durchführen zu können, sollten idealer-weise die Grenzflächen und grenzflächennahenSchichten ohne Vakuumunterbrechung und mög-lichst während des Wachstums untersucht werden.Die gezielte Anpassung der Prozessparameter undMaterialeigenschaften im Hinblick auf optimaleGrenzflächenstrukturen ist dabei extrem aufwendig,da eine kontinuierliche Prozessoptimierung überweite Parameterfelder notwendig ist. Der dafür erfor-derliche permanente Zugang zu den erwähnten Ana-lysemethoden ist bei den derzeitigen Zugangsmodel-len an Synchrotronquellen nicht gegeben.Um diese Lücke in der wissenschaftlichen Infrastruk-tur zu schließen, wird am Berliner SynchrotronB ESSY II, einer sehr brillianten Quelle für Röntgenlichtmittlerer Energie (soft and tender X-rays), das Mate-riallabor EMIL (Energy Materials In-Situ LaboratoryBerlin) aufgebaut [2]. EMIL erlaubt direkt und mittäglichem Zugang zum Synchrotron, eine Röntgen-analytik entweder direkt am wachsenden Film  73Abbildung 2 Modulares Ultrahoch -vakuumsystem im Materiallabor EMIL(Grafik: HZB)FVEE • Themen 2014Phasen der Stromwende • Materialforschung (in-situ) oder aber ohne Unterbrechung der Vakuum-bedingungen (in-system) an sehr komplexen Stapel-folgen. Hierbei ist der Anregungsenergiebereich von80 eV bis 10 keV enorm groß, sodass auch eine Tiefenauflösung von der Oberfläche bis hin zu eini-gen Mikrometern möglich sein wird. EMIL verfügt über ein modulares Ultrahochvakuum-system (siehe Abbildung 2), welches einen flexiblenAustausch von Präparationskammern ermöglicht undsomit über 20 unterschiedliche Dünnschichtpräpara-tionsmethoden integrieren kann. Die maximale Pro-bengröße kann dabei bis zu 6 Zoll im Durchmesser(oder 10 cm×10 cm) betragen. EMIL wird ein für die gesamte Kette der Bauelement-herstellung wichtiges Analysegerät und kann für diegesamte Energieforschung eingesetzt werden. EMILerlaubt zum ersten Mal diese dezidierte Analytik mitsehr kurzer Feedbackzeit in einer Reihe von Techno-logieentwicklungen einzusetzen und somit eine Ent-wicklung unter „Know-better-how“-Bedingungen zuermöglichen. Ab 2016 wird EMIL der nationalen undinternationalen Energieforschung und der Industriezur Verfügung stehen und den ForschungsstandortDeutschland positiv prägen [3].FazitAbschließend ist festzustellen, dass ein umfassendesVerständnis der komplexen Zusammenhänge die Ent-wicklung und Validierung von zuverlässigen Model-len erfordert. Dazu sind rechnergestützte Simulatio-nen notwendig, die auf atomarer Ebene Strukturenbeschreiben, Wärmekapazitäten vorhersagen undOberflächenchemien bestimmen, sowie Verfahren,die komplette Bauelemente und deren Komponentenvorhersagen können. Diese beiden Konzepte, neue Materialforschungs -methoden und Simulationen, sind zusammen einwesentlicher  Schlüssel für Durchbrüche in der Mate-rialforschung für die Energiewende.Große Entdeckungen, die gemacht werden, habensehr viel mit Know-how, aber oft auch sehr viel mitZufall zu tun. Um aus diesen Entdeckungen Schlüs-seltechnologien machen zu können, ist es notwen-dig, die Entwicklungen mit dem oben genanntenKnow-better-how zu begleiten. Dies bewirkt einemöglichst schnelle Rückkopplung von wesentlichenErgebnissen in die Produktion. Die Forschenden brau-chen die großen wissenschaftlichen Infrastrukturenwie das EMIL und die Laborinfrastrukturen der Insti-tute einschließlich der Rechenzentren als Werkzeuge,um Ideen in die Innovation von morgen umzusetzen.Wissen ist der Schlüssel für unsere Zukunftsfähigkeit.Literatur[1]  http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg[2]  EMIL: The Energy Materials In Situ LaboratoryBerlin; K. Lips, D.E. Starr, M. Bär, T. F. Schulze, F.Fenske, S. Christiansen, R. van de Krol, S. Raoux, G.Reichardt, F. Schäfers, S. Hendel, R. Follath, J. Bahrdt,M. Scheer, G. Wüstefeld, P. Kuske, M. Hävecker, A.Knop-Gericke, R. Schlögl, B. Rech; proceedings of theIEEE PVSEC, Denver Colorado, USA (2014) 0698.[3]  http://www.helmholtz-berlin.de/projects/emil/ 74Phasen der Stromwende • Materialforschung FVEE • Themen 2014

Schlüsselmaterialien für Technologiedurchbrüche

http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2014/th2014_05_05.pdf

Schlüsselmaterialien für Technologiedurchbrüche

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