In dem Teilprojekt Reaktorentwicklung werden verschiedene Konzepte für planare Solarreaktoren zur photoelektrochemischen Wasserstofferzeugung entwickelt und bewertet. Das vielversprechendste Design wird ausgearbeitet und mit der Fertigung von Testreaktoren umgesetzt. In diesen werden unterschiedliche Photoelektroden unter Verwendung künstlicher Lichtquellen und Solarstrahlung praxisnah untersucht, wobei der Fokus auf der Leistungsfähigkeit hinsichtlich Wasserstofferzeugung und Reinigung von Modell- und Realabwässern liegt. Im Rahmen der Anwendungsuntersuchungen ist der Einsatz des DLR-Konzentratorteststands SoCRatus (Solar Concentrator with a Rectangular Flat Focus) vorgesehen. Die Experimentalphase wird durch techno-ökonomische Analysen ergänzt und begleitet.
Ziel und Innovation dieses Teilvorhabens ist die Synthese, Charakterisierung und Anwendung neuer, technologisch relevanter organischer Halbleiter und Farbstoffe, die stark im rot-grünen Bereich absorbieren und optimal auf die Blau- und Rotabsorber der Heliatek angepasst sind. Damit sollten sich in aus Hochvakuum abgeschiedenen Einzel- und Multischicht-Solarzellen weiter verbesserte Energieeffizienzen mit größer als 8% bzw. größer als 12% erzielen lassen. Diese starken rot-grün Absorber basieren auf dem an der Universität Ulm in langjähriger Zusammenarbeit mit der Heliatek und dem Institut für angewandte Photophysik in Dresden entwickelten Materialkonzept der Akzeptor-substituierten Oligothiophene (ADA-Oligothiophene). Im derzeit noch laufenden BMBF-Verbundvorhaben LOTsE wurden in enger Kooperation mit der Heliatek auf Basis des neuen Strukturkonzepts der S,N-Heteroacene weiter verbesserte ADA-Oligothiophene der zweiten Generation entwickelt, die sich sofort als technologisch relevant herausgestellt haben. In diesem Teilvorhaben sollen nun die S,N-Heteroacene durch systematische strukturelle Änderungen weiter vor allem für die Verwendung in Tripelzellen optimiert und der technologischen Anwendung noch näher gebracht werden. Ziel innerhalb dieses Arbeitspaketes ist es nun, die neue Leitstruktur der S,N-Heteroacene systematisch so zu verändern und fein abzustimmen, dass die in diesem Arbeitspaket geplanten Serien neuer Derivate zu produktrelevanten Fortschritten bezüglich des Wirkungsgrads und der Langzeitstabilität von Einzel- und Mehrfachzellen beitragen und gleichzeitig unzersetzt, rückstandsfrei und bei möglichst niedrigen Temperaturen sublimieren und vakuumprozessierbar sind. Dies sind sehr hohe Anforderungen an die organischen Halbleiter, und wir wollen deshalb sehr systematisch und in kleinen Schritten die Strukturen ändern und sie jeweils in ca. 200 mg-Mengen Heliatek zur Testung zur Verfügung stellen.
Ziel dieses Antrags ist die Realisierung einer photoelektrochemischen Tandemzelle (PETZ) mit 2-Kammern im Labormaßstab, die mit Sonnenlicht photokatalytisch Abwässer aufreinigt und simultan Wasserstoff produziert. Dadurch werden sowohl der erneuerbare Energieträger Wasserstoff generiert als auch gleichzeitig hoch akute Umweltprobleme adressiert. An der Justus Liebig Universität Giessen (JLU) werden schichtförmige Metalloxide mittels Sol-Gel-Methoden hergestellt. Anschließend werden sie hinsichtlich ihrer photokatalytischen und photoelektrochemischen Eigenschaften untersucht, wobei die aktivsten Pulver bei H.C. Starck GmbH (HCST) mit optimierter Morphologie im 500g-Maßstab hergestellt werden. An der Leibniz Universität Hannover (LUH) werden die Reaktionsmechanismen der Wasserstoffbildung und des Schadstoffabbaus an den Materialien von JLU und HCST näher untersucht. Die Effizienzwerte sowie die mechanistischen Erkenntnisse werden an JLU und HCST als Grundlage für weitere Optimierungen weitergegeben. Die Helmut Schmidt Universität Hamburg (HSU) verwendet die Pulver von HCST zum Kaltgasspritzen von Elektroden, die an der JLU photoelektrochemisch und an der LUH mechanistisch charakterisiert werden, im Vergleich zu direkt aus den schichtförmigen Materialien hergestellten Photoelektroden. HSU gibt die Ergebnisse auch an Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) weiter. DLR erstellt basierend auf den Ergebnissen von HSU, LUH und JLU Entwürfe und Konstruktionen skalierbarer Photoreaktoren. JLU konstruiert eine photoelektrochemische 2-Kammer-Messzelle zur Wasserstofferzeugung bei simultaner Abwasserreinigung im Labormaßstab.
Das Projekt InSOL erforscht das Potential der Kombination zweidimensionaler Nanostrukturen wie Graphen oder MoS2 mit einer neuen Klasse von Halbleitermaterialien für die solare photoelektrochemische (PEC) Wasserstoffproduktion. Das zentrale Ziel des Projekts ist die Identifizierung und Entwicklung neuer Materialsysteme, die sich durch hohe Photoabsorption und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen, dabei aber keine seltenen und teuren Elemente enthalten. Ein weiterer für den industriellen Einsatz unabdingbarer Punkt ist die Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit der entwickelten Materialien. Neben den konkreten Forschungszielen soll das Projekt eine langfristige und strategische Zusammenarbeit zwischen Europa und Indien etablieren. Zu den Projektpartnern zählen Experten aus den Gebieten Simulation und Modellierung, Synthese, Systemherstellung sowie Materialcharakterisierung. Im ersten Schritt werden ab-initio Simulationswerkzeuge eingesetzt, um rechnergestützt neue Materialien und Materialkombinationen vorab auf Ihre Tauglichkeit als PEC-Materialien zu überprüfen. Im zweiten Schritt werden vielversprechende Nanostrukturen synthetisiert und hinsichtlich Ihrer PEC-Leistungsfähigkeit untersucht. Im dritten Schritt werden die Kristall- und Grenzflächenstrukturen charakterisiert. Über die Rückkopplung der Ergebnisse der Material- und PEC-Charakterisierung an die Simulation und Synthese soll eine Optimierung der entwickelten Materialien erreicht werden.
Die Ziele des Vorhabens gliedern sich wie folgt: 1. Weiterentwicklung der Farbstoffsolarzellentechnologie zur Erreichung einer verbesserten energetischen Amortisationszeit, zur Verbreitung bestehender und zur Erschließung neuer Anwendungsfelder. Damit sollen deutliche Umweltentlastungen erzielt, neue Märkte und Arbeitsplätze geschaffen und mit Blick auf Anwendungen in Entwicklungsländern entwicklungspolitische Ziele einer nachhaltigen Entwicklung erreicht werden, 2. Entwicklung eines ressourceneffizienten Produktionsverfahrens unter Verwendung umwelt-freundlicher Chemikalien basierend auf der Siebdrucktechnik, 3. Entwicklung von Anwendungsszenarien für die Anwendung von Farbstoffsolarzellen auf Fassaden, für netzunabhängige Anwendungen und für mobile Sensoren für die Umwelttechnik, 4. Erhöhung der Richtungssicherheit der Entwicklungen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung durch Umweltwirkungsabschätzungen sowie die Ermittlung wirtschaftlicher und entwicklungspolitischer Potenziale; 5. Entwicklung von Gestaltungskonzepten für eine umweltgerechte Produktentwicklung (z. B. recyclinggerechte Konstruktion und Herstellung). Geplante Forschungsarbeiten und Arbeitsprogramm: Das Vorhaben umfasst drei Hauptteile: Im Mittelpunkt steht die kooperative Technologieentwicklung von Farbstoffsolarzellen in der Zusammenarbeit maßgeblicher Unternehmen der zukünftigen Wertschöpfungskette, wissenschaftlicher Einrichtungen und relevanter Verbände und Transferpartner. Die konkrete Technologie- und Marktentwicklung wird durch eine Innovations- und Technikanalyse unterstützt, in der Technologie- und Produkt-Roadmaps erarbeitet, Lebenszyklusanalysen durchgeführt und die Erfolgsfaktoren der Produktinnovation in der Solarwirtschaft herausgearbeitet werden. Der dritte Teil schließlich umfasst Maßnahmen zum Ergebnistransfer. Die Ergebnisse dieser drei Blöcke sind eng verzahnt und werden wechselseitig genutzt, so dass hohe Synergieeffekte erzielt werden können.
Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuer effizienter organischer Farbstoffe, sowie die Entwicklung von modellhaften Verfahren im Labormaßstab zur Herstellung von organischen Photovoltaikmodulen für den Einsatz im Automobil- und Architekturbereich. Die BGT Bischoff Glastechnik AG wird insbesondere Fragestellungen zur Applikationstechnik, sowie zur Anwendungs- und Integrationstechnik bearbeiten. Das Teilvorhaben konzentriert sich auf die Beschichtung von starren Substraten, wie Glas und der Integration von OPV-Modulen in architektonische Bauelemente, wie z.B. Fenster. Der Arbeitsplan des Teilvorhabens umfasst: 1. Prozessentwicklung auf Glas (Reproduktion vorformulierter Halbleitermaterialien im Labormaßstab), 2. Modulstack-Upscaling (Aufskalierung auf größere Formate); 3. Modulstack-Verpackung (Entwicklung geeigneter Verkapselungstechniken); 4. Erarbeitung Applikationsspezifikationen; 5. Entwicklung Integrationstechnologie (Bereitstellung von Prinzipmuster); 6. Anwendungstechnische Untersuchungen (beschleunigte Alterungstest); 7. Integration (Einbau in Fassadenelemente und Fenster).
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