Nachhaltige Materialien für regenerative Energiegewinnung

Die TU Ilmenau startet am 1. Oktober ein großangelegtes Forschungsprojekt zur Nachhaltigkeit hocheffizienter Energiematerialien. Mit solchen Materialien kann zum Beispiel der Wirkungsgrad von Solarzellen im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumsolarzellen erheblich gesteigert werden. Gleichzeitig soll die Bereitstellung regenerativer Energie aber auch ressourcenschonend, ökologisch verträglich und wirtschaftlich sein. Daran forscht nun, begleitet von einem Industriebeirat, ein interdisziplinäres Team der TU Ilmenau zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme.

Das Projekt-Akronym SustEnMat steht für „Sustainable Energy Materials“, also Materialien für nachhaltige Energie. Damit bei der Energieproduktion nicht nur die verwendeten Materialien, sondern der gesamte Herstellungsprozess nachhaltiger wird, ist das Forschungsteam hochgradig interdisziplinär aufgestellt: Während das Fachgebiet „Grundlagen von Energiematerialien“ um den Projektleiter Thomas Hannappel und das Fachgebiet „Werkstoffe der Elektrotechnik“ die Materialien selbst in den Blick nehmen, sorgen die Fachgebiete „Theoretische Physik“ und „Theoretische Festkörperphysik“ für die Modellierung und ein tiefes Verständnis der entscheidenden Prozesse. Die Fachgebiete „Nachhaltige Produktionswirtschaft und Logistik“ und „Wirtschaftspolitik“ wiederum analysieren die ökonomisch-ökologischen Implikationen der Erforschung nachhaltiger Materialien für Kreislaufstrategien bei der regenerativen Energiegewinnung.

Zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische oder chemische Energie wird anspruchsvolle Halbleitertechnologie eingesetzt. Die Eigenschaften von Silizium, dem am häufigsten eingesetzten Halbleiter, sind aber für eine Anwendung in besonders hochwertigen Bauelementen nicht optimal. Die III-V-Verbindungshalbleiter haben dagegen hervorragende Eigenschaften für das gesamte Spektrum optoelektronischer Bauelemente, die Rekordwerte nicht nur bei der Effizienz von Solarzellen und der direkten solaren Erzeugung von Wasserstoff ermöglichen, sondern auch bei der Umwandlung von Kohlendioxid in solare Brennstoffe. Allerdings ist das Gruppe-III-Element Indium rar, es findet sich so selten wie zum Beispiel Silber, und auch Gallium und Germanium kommen auf der Erde nur relativ selten vor. Ein weiteres Problem: Die Gruppe-V-Elemente Arsen und Antimon sind giftig und gesundheitsgefährdend.

Ziel von SustEnMat ist es, die kritischen, weil seltenen oder giftigen, Materialien durch den verstärkten Einsatz von Aluminium und Phosphor zu reduzieren oder gar zu ersetzen. Zudem soll die Halbleitertechnologie moderner Tandem- und Mehrfachsolarzellen so optimiert werden, dass die Anwendungen für hocheffiziente Solarenergiekonversion ressourcenschonender, ökologisch verträglicher und wirtschaftlicher werden. Mit SustEnMat beschleunigt die TU Ilmenau Innovationen im Bereich höchsteffizienter Photovoltaik, Wasserstofferzeugung und Synthese chemischer Energieträger und hilft, den Material- und Energieeinsatz in der Produktion zu minimieren.

Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert SustEnMat fast fünf Millionen Euro für fünf Jahre im Themenschwerpunkt Ressourcen-Effizienz, mit dem sie technisch-naturwissenschaftliche Forschung zum nachhaltigeren Umgang mit natürlichen Ressourcen unterstützt.

TU Ilmenau / RK