Das glaube ich nicht
Wer zum Institut für Physikalische Elektronik (kurz: IPE) will, hat es schwer. Der Weg im Stuttgarter Universitätsgebäude führt nur über lange Korridore zum Ziel. Um in dem Labyrinth nicht die Orientierung zu verlieren, muß man sich jede Biegung genau einprägen und kann nur hoffen, einen Studierenden zu treffen, der weiß, wo’s langgeht. Auch der Mann vom Pizzalokal kennt die Tücken der Strecke. Er freilich findet inzwischen fast blind zum Ziel. Denn er ist häufiger Gast am Institut. Wenn der Arbeitstag wieder lang wird, die Nacht hereinbricht über Stuttgart, dann wird die italienische Gaststätte mit dem unverkennbar südländischen Namen „Harmonie“ angerufen und das Doktorandenfutter bestellt. Wer an das Institut für Physikalische Elektronik will, hat es schwer. Der Chef, Jürgen Werner, ist ehrgeizig und fordert von den Mitarbeitern einen steten Dreierpack: Kreativität, Zielstrebigkeit, Pünktlichkeit. Wer bei ihm promovieren will, hat gerade mal drei Jahre Zeit. Unter Werners Vorgänger verweilten die Doktoranden oft ebenso lange am Institut, ehe sie überhaupt eine Doktorarbeit bekamen.Werner, 48, ist ein Kämpfertyp mit sportiver Note. Er hat sich das Ziel gesetzt, ebenso fundamentale wie anwendungsnahe Arbeit zu leisten, damit das eine oder andere Ergebnis auch in den Lehrbüchern verzeichnet ist, das seine wissenschaftlichen Enkel lesen. Momentan arbeiten 15 der 56 Institutsmitarbeiter für einen Eintrag in das wissenschaftliche Guinness-Buch der Rekorde: Sie wollen den Wirkungsgradweltrekord bei CIS-Solarzellen wieder zurückholen. Seit 1999 steht dieser Weltrekord bei rund 19 Prozent und wird gehalten vom NREL, dem National Renew-able Energy Laboratory im amerikanischen Golden, Colorado. Zuvor, von 1992 bis 1996, waren auch die Stuttgarter CIS-Weltrekordler. Damals steigerten sie den Wirkungsgrad zusammen mit Kollegen der schwedischen Universität Uppsala von 14,8 auf 17,6 Prozent. CIS ist ein Insiderkürzel aus den Anfangsbuchstaben der drei die Solarzelle beherrschenden chemischen Elemente Kupfer, Indium, Selen (Summenformel: CuInSe2). Die stromerzeugende Schicht einer CIS-Zelle ist nur zwei tausendstel Millimeter dick. Weil CIS-Zellen kostengünstiger als solche aus kristallinem Silizium hergestellt werden können, gehört der CIS-Technologie die Zukunft. Soeben ist in Marbach am Neckar – vor den Toren Stuttgarts – eine Solarzellenfabrik eingeweiht worden, die auf der am IPE ersonnenen Technologie basiert (bild der wissenschaft 7/2000, „Strom-Wende“). Die Physik der dünnen Schicht besser zu verstehen und Elemente und Verbindungen so anzuordnen, daß die Stromausbeute weiter steigt, sind Hürden, die bei einem Weltrekordversuch übersprungen werden müssen. Eine tragende Rolle spielen dabei Elemente wie Molybdän, Gallium oder Schwefel und Verbindungen wie Natriumfluorid, Kadmiumsulfid, Zinkoxid oder eben die namensgebende Verbindung aus Kupfer, Indium, Selen.
Im Mai 1999 bekommt bild der wissenschaft davon Wind, daß man sich am IPE fit macht, um den alten Institutsrekord der Kupfer-Indium-Diselenid-Dünnschichtsolarzelle zu übertreffen. Zwei Spielmacher prägen in den folgenden Monaten das Rüsten für den Rekordversuch. Dr. Hans-Werner Schock, 54, laut Prof. Werner, „der erfolgreiche Lothar Matthäus der CIS-Technologie“. Schock brachte diese Technologie Anfang der achtziger Jahre ans Institut. Er war schon Spielführer, als das Institut den Wirkungsgrad in der ersten Hälfte der neunziger Jahre ein ums andere Mal steigerte. Er kennt alle Tricks, wie man aus den Anlagen das Optimum herausholt. Spielmacher der Grundlagenforscher ist der Institutschef selbst. Wen wundert’s: Ehe Werner 1997 ans IPE berufen wurde, war er 17 Jahre lang wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung – ist also grundlegend auf Grundlagen getrimmt. Ausgangspunkt für jeden Spielzug – ob technologieorientiert oder grundlagenbasiert – muß es sein, den Wirkungsgrad durch kluges Ausreizen der Einflußgrößen zu steigern. Der Wirkungsgrad ist das Produkt aus den drei folgenden Größen, dividiert durch die eingestrahlte Leistung: Leerlaufspannung (IPE-Ziel: 700 Millivolt – IPE-Ist: 690 ) Kurzschlußstrom (Ziel: 35 Milliampère pro Quadratzentimeter – Ist: 33 ) Füllfaktor (Ziel: 80 Prozent – Ist: 74,3 ). Um den Weltrekord zu stemmen, wollen die Stuttgarter zwar auf allen drei Feldern besser werden. „Letztlich entscheidend ist aber eine deutliche Steigerung beim Füllfaktor, weil hier am meisten zu holen ist“, lautet die Losung von Werner. Auf welches Spiel sich die Forscher da einlassen, versinnbildlicht eine Analogie aus der Stromerzeugung bei Wasserkraftwerken: Die Fallhöhe entspricht der Leerlaufspannung, die Wassermenge dem Kurzschlußstrom, das in die Turbinen schießende Wasser dem Füllfaktor.
9. September 1999 An diesem Tag legt Prof. Jürgen Werner vor seinem Team noch eins drauf: „Bis zum 9. Mai 2000 wollen wir mit Kupfer-Indium-Diselenid 20 Prozent Wirkungsgrad erzielen. Dafür haben wir noch genau 243 Tage Zeit.“ Von den anwesenden Doktoranden glauben nur drei, daß der neue Rekord in dieser Zeitspanne erreichbar ist. Die drei anderen sind weniger optimistisch. Auch von den wissenschaftlichen Gruppenleitern wird das Datum kritisch beäugt. Momentan schafft man gerade erst wieder 15 Prozent. Trotz-dem zweifelt niemand daran, daß der Weltrekord erneut nach Stuttgart geholt werden kann. Denn allmählich kehrt die frühere Leistungskraft ins Institut zurück.
In den Jahren 1997 bis 1998 hatte Jürgen Werner, dessen charismatischer Vorgänger Werner Bloss kurz vor seiner Emeritierung 65jährig gestorben war, eine völlig neue Forschermannschaft zusammengestellt und die Organisationsstruktur radikal verändert. Die Folge: Viele der einstigen Know-how-Träger mußten jetzt rasch promovieren und die Universität verlassen. Hans-Werner Schock hatte in dieser Zeit ordentlich zu tun, um das technologische Wissen für das Institut zu erhalten. Denn fast alles am IPE wurde auf den Kopf gestellt: Die Anlagen kamen in größere Räume, neue Geräte wurden angeschafft. Die zwei Millionen Mark „Berufungsmittel“ von Prof. Werner waren schnell verplant. Die Schwerpunkte der Wirkungsgradverbesserung liegen im September 1999 bei der Optimierung der Absorberschicht, also jener Schicht, in der Photonen Elektronen freisetzen. Solche Arbeiten sind schweißtreibende Steilvorlagen für Doktoranden: Immo Kötschau verfolgt beispielsweise akribisch, wie der Einbau von Schwefel-Atomen den Absorber wirkungsvoller werden läßt. Thorsten Dullweber variiert das Verhältnis der Indium- und Gallium-Atome in der nur etwa einen Mikrometer dicken Absorberschicht. Auch hierdurch erhofft sich das Team einen höheren Wirkungsgrad.
7. Dezember 1999 Bei einigen ist die Stimmung gedrückt. Die letzten Wochen haben Rückschläge gebracht. Erst fiel Technologiestratege Schock durch einen Krankenhausaufenthalt aus. Dann gab es eine Reihe internationaler Konferenzen, bei denen das Institut vertreten sein mußte, andere Arbeiten blieben liegen. Schließlich spielte eine der Beschichtungsanlagen einen Streich nach dem anderen. Die für wissenschaftliches Arbeiten so dringend nötige Reproduktionsfähigkeit der Resultate war nicht mehr gewährleistet. Der Institutsleiter kommentiert diese Entwicklung lakonisch: „Wir haben kurz vor der Halbzeit zwei reingekriegt und liegen jetzt zurück.“ Durch den Einbau neuer atomarer Verdampferquellen – beispielsweise einer Selen-Dusche – soll die Anlage in den kommenden Wochen endlich die erforderliche Homogenitätsgüte erreichen.
Doktorand Dullweber, 29, ist dagegen bereits auf Erfolgskurs: Er weist nach, wie sich die Leerlaufspannung durch die Veränderung des Indium-Gallium-Verhältnisses im Absorber steigern läßt. „Wenn wir den Gallium-Anteil am unteren Ende des Absorbers deutlich erhöhen, steigern wir die Leerlaufspannung. Aber fragen Sie mich bitte nicht, was die genaue physikalische Ursache ist.“ Auch George Hanna, ein weiterer Doktorand, der sich gerne im T-Shirt eines kalifornischen Weingutes gleichen Namens zeigt, ist einer neuen Leistungsverbesserung auf der Spur. „Wir haben festgestellt, daß die Absorberprozesse besser ablaufen, wenn wir den Kupfer-Gehalt verändern. Zunächst steigern wir den Anteil. Und gegen Ende des Beschichtungsvorgangs fahren wir ihn wieder zurück“, sagt der 28jährige.
Auch der gezielte Einbau von Schwefel-Atomen dient der Wirkungsgradverbesserung von CIS-Zellen. Immo Kötschau, 30, hat seinen privaten Weltrekord damit bereits erzielt. „Bei schwefelhaltigen Zellen mit 0,8 Volt Spannung liegen wir bereits an der Weltspitze.“ Kötschau und Dullweber sind durch die neuen Verfahren zur Absorberherstellung so ermutigt, daß sie eine Wirkungsgradsteigerung um zwei Prozentpunkte vor sich sehen. „Ich wage noch keine Prognose“, gibt dagegen Kollege Hanna zu Protokoll. Die Präparationen kosten unendlich viel Zeit. Die Doktoranden und die wissenschaftlichen Mitarbeiter stehen Woche um Woche im Labor – von morgens neun bis abends neun. Freude kommt da oft nur beim Pizzaessen auf. Für den Institutschef ist die Präparation bis zu einem gewissen Grad schwarze Kunst. Sehr wichtig ist es ihm daher, „daß wir jetzt erstmals versuchen, die empirisch gefundenen Daten theoretisch zu beschreiben, um so zu neuen Höchstleistungen zu kommen“. Als unermüdlicher Ballschlepper erweist sich dabei Chefanalytiker Dr. Uwe Rau. Auch er arbeitet wie die meisten fast jedes Wochenende. Für die Doktoranden ist der 41jährige stete Anlaufstelle – auch dann, wenn sie mal Frust loswerden wollen. Im Hinblick auf die Spielmacher Werner und Schock versteht sich Rau als Puffer und gelegentlich auch als Schlichter.
Trotz der Rückschläge in den letzten Wochen gibt sich das Team am Ende der Lagebesprechung zuversichtlich: „In den nächsten Wochen verbessern wir den Wirkungsgrad auf 17 Prozent. Das gibt dann erst mal ein Fest.“ Auch der Journalist von bild der wissenschaft soll dazu eingeladen werden. 15. Februar 2000 bild der wissenschaft hat keine Einladung erhalten. Das große Fest hat gar nicht stattgefunden. Dennoch: Mit 17,2 Prozent hat das IPE inzwischen einen neuen Institutsrekord beim Wirkungsgrad von CIS-Solarzellen aufgestellt. „Im Laufe des März wollen wir mindestens 18,2 – mit etwas Glück sogar 19 – Prozentpunkte erreichen“, kündigt Hans-Werner Schock an. Die Stimmung in der Mannschaft und bei den beiden Spielmachern am Institut ist deutlich aufgeräumter als beim letzten Besuch. Jürgen Werner lobt sein Team: „Ich finde es einfach klasse, wie die Truppe gearbeitet hat.“ Und Rau bemerkt: „Im Unterschied zum letzten Treffen sind die Dinge jetzt so am Rollen, daß jeder Tag eine neue Verbesserung bringen kann.“ Zwei Zäsuren haben diesen Stimmungsumschwung bewirkt: •Noch im Dezember hatte Schock entschieden: „Wir bauen komplett um und setzen neue Verdampferquellen in die UMS-Anlage ein.“ Ende Februar sollen die umgerüsteten Anlagen anlaufen. Das Geld für die Umrüstung wurde aus dem Drittmitteletat des Instituts beschafft. „Neben einer exakt regelbaren Gallium-Quelle haben wir jetzt noch eine zusätzliche Verdampfungsquelle, die vielleicht sogar ein Joker ist, um nochmals ein Stück voranzukommen“, freut sich George Hanna über die Weichenstellung. •Werner erklärt das Ziel, den Amerikanern den Weltrekord abzujagen, zum strategisch wichtigsten Vorhaben am Institut, dem sich alle anderen Projekte unterordnen müssen: „Wenn wir das erreichen, führt das nicht nur zu besseren Solarzellen, sondern auch zu neuem Geld. Denn in der Photovoltaik gibt es nur einen einheitlichen Maßstab, an dem man gemessen wird – den Wirkungsgrad.“ Absorber-Optimierung heißt auch weiterhin die beliebteste Übung im Trainingslager. So hat Hanna eine Absorberschicht in Natriumsulfid getaucht, was den Füllfaktor gleich um sieben Prozent steigen ließ. Die beiden anderen wirkungsgradbestimmenden Größen – Leerlaufspannung und Kurzschlußstrom – blieben dagegen unverändert. „Es ist zu vermuten, daß wir durch diesen Versuch Natrium oder Schwefel eingebaut und so den Wirkungsgrad nach oben getrieben haben.“ Jürgen Werner, eben noch des Lobes voll über sein Team, mahnt gleich darauf: „Unser Schwachpunkt ist nach wie vor, daß unser physikalisches Verständnis nicht ausreicht, um theoretisch zu verstehen, wodurch der Füllfaktor beeinflußt wird. Und zu Schock gewandt erklärt er: „Das ist genau der Punkt, warum die CIS-Zelle keine 20 Prozent Wirkungsgrad erreicht. Im Augenblick können wir nicht mehr als die anderen führenden CIS-Experimentatoren. Wir verbessern den Prozeßablauf nach wie vor nach dem Motto: Versuch und Irrtum.“ Uwe Rau bietet dem einen Spielmacher Paroli und unterstützt den anderen: „Ich halte es schlicht für unmöglich, in einem halben Jahr das System so genau zu verstehen, wie du das forderst. Da gibt es einfachere Grenzflächen, die man über 30 Jahre nicht verstanden hat. Man muß die Bauchentscheidung von Hans-Werner nicht verteufeln. Um so mehr, als es sich ja um eine kopfunterstützte Bauchentscheidung handelt.“
Die zweite Halbzeit nähert sich ihrem Ende. Um mit Jürgen Werner zu reden: Der Rückstand, den sich sein Institut kurz vor dem Halbzeitpfiff eingefangen hat, ist zwar nicht mehr so groß. Aber von Führung kann noch lange keine Rede sein. Die Amerikaner liegen am 15. Februar immer noch mit knapp 2 Prozentpunkten voraus.
9. Mai 2000 Am Tag der Wahrheit sind die Wirkungsgrad-Virtuosen des Instituts für Physikalische Elektronik weder euphorisch noch geknickt: „Mit 18,2 Prozent stehen wir dort, wo wir Ende März sein wollten“, sagt Hans-Werner Schock. „ Das ist Europarekord. Ich bin stolz, daß ihr das so gut hingekriegt habt“, erklärt der Institutsleiter. Er ist mit dem Ergebnis sehr zufrieden, auch wenn er am Rande des Rekordversuchs mal verlauten ließ, daß der eine oder andere angesichts der großen Worte vom 9. September 1999 behaupten könnte: als Löwe gesprungen, als Bettvorleger gelandet. Die Doktoranden Hanna und Dullweber erwähnen, daß sie ja schon früher skeptisch waren, ob der Weltrekord zum genannten Zeitpunkt möglich sei. Gruppenleiter Uwe Rau sagt: „Die Zahlen zeigen uns, daß wir das Ziel erreichen werden.“ Zeit dazu ist in der Tat noch bis April 2001. Erst dann laufen die Fördermittel des Forschungsministeriums für das „ Projekt-20-Prozent“ aus. Das Institut für Physikalische Elektronik (im Internet unter: www.ipe.uni-stuttgart.de) hat den anvisierten Weltrekord beim ersten Versuch nicht erreicht. Der Chef und die Mitarbeiter des Instituts können das fürs erste verschmerzen. Denn in den vergangenen Monaten haben andere Institutsforscher zugeschlagen: Ralf Dassow hat die weltbesten Dünnfilmtransistoren für Displays gebaut. Titus Rinke hat einen Weltrekord bei dünnen kristallinen Zellen auf Glas aufgestellt. Christian Koch ist seit kurzem Champion beim amorphen Silizium auf Glas, das jetzt nur noch bei 75 Grad Celsius abgeschieden werden muß. Es gibt also Ansporn genug, den CIS-Weltrekord doch noch zu stemmen. Für den erneuten Angriff bleiben ab 1. August noch einmal satte 273 Tage Zeit.
Wolfgang Hess
