Wie lassen sich Solarzellen effizienter machen? Wie lässt sich Sonnen- und Windenergie am besten für den späteren Bedarf speichern? Technologien für die Energiewende benötigen maßgeschneiderte Materialien, die sowohl preiswert als auch effizient sind.
Solarzellen unter Elektronenbeschuss
Ein wichtiges Werkzeug für die Suche nach diesen Materialien ist die hochauflösende Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie, oder kurz HREELS. Bei dieser Methode wird der zu untersuchende Werkstoff mit einem Strahl von Elektronen beschossen. Die Elektronen prallen von der Oberfläche des Materials ab und verlieren dabei einen Teil ihrer Energie. Dieser Energieverlust kann gemessen werden – und erlaubt damit Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials, wie etwa seine Fähigkeit Strom oder Wärme zu leiten.
HREELS-Messungen können allerdings sehr zeitaufwändig sein.
„Der wirklich interessante Teil des Energieverlusts der Elektronen ist winkelabhängig“, sagt Dr. François Bocquet vom Jülicher Peter Grünberg Institut. „Deshalb muss er aus verschiedenen Richtungen gemessen werden. Bisher war es nur möglich, einen Energieverlust für einen Winkel auf einmal zu messen. Die Messungen für eine einzelne Probe konnten einen ganzen Tag in Anspruch nehmen, unter Umständen sogar länger.“
Messung aus verschiedenen Winkeln
Nun haben François Bocquet und seine Kollegen eine Methode entwickelt, mit der eine Probe innerhalb von Minuten vermessen werden kann. Zwei zusätzliche Komponenten an ihrem HREELS-Instrument vereinfachen ihre Messungen.
„Die erste ist ein halbkugel-förmiger Elektronen-Analysator, der bereits seit zehn Jahren erfolgreich in winkelauflösender Photoelektron-Spektroskopie verwendet wird“, erklärt Bocquet. „Die zweite ist eine modifizierte Elektronenquelle, angepasst an den Elektronen-Analysator, die hier bei uns am Institut entwickelt wurde.“
Diese wird mit einer eigens dafür entwickelten Software gesteuert. Sie sorgt dafür, dass die Elektronen im Strahl die gewünschte kinetische Energie haben und auf einen sehr kleinen Bereich der Probe fokussiert werden. Dadurch kann der Analysator optimal genutzt werden – und ermöglicht eine gleichzeitige Messung von Energieverlusten aus verschiedenen Winkeln.
Keine Unterbrechung mehr nötig
„Diese Neuerungen erlauben es uns, nun auch Proben zu untersuchen, die für die bisherigen Methoden zu instabil oder zu empfindlich waren“, erzählt Bocquet, dessen Forschung auch von dem Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert wird. Die Wissenschaftler arbeiten üblicherweise unter Vakuumbedingungen, damit die untersuchten Oberflächen nicht kontaminiert werden. „Da jedoch kein Vakuum jemals perfekt ist, mussten wir die Messungen gewöhnlich nach wenigen Stunden stoppen und die Probe neu vorbereiten. Das ist nun mit der schnelleren Methode nicht mehr nötig“, freut sich Bocquet.
