Indoor Photovoltaik

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Klima und Energie sind aktuell zwei zen­trale Themen in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Dies spiegelt sich auch im Bereich der Forschung und Entwicklung damit verbundener Technologien wider. Als nachhaltige Systeme zur Stromerzeugung spielen hier auch die verschiedenen Formen der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle. Bei dem speziellen Anwendungsbereich der Indoor Photovoltaik (IPV) werden Solarzellen in Innenräumen genutzt, in denen gedämpftes Tageslicht sowie Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) vorherrschen. Neben einer deutlich geringeren Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ~100.000 Lux), handelt es sich auch um Licht mit spezifischen Wellenlängen, die ausschließlich im sichtbaren Bereich liegen und deren Absorption bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt ist. Die IPV hat die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, weil sie eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. von kleinen und kleinsten Verbrauchern in Innenräumen darstellen kann. Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Weiterlesen

Additiv gefertigte Batterien

Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, da sich der generelle Trend zur Miniaturisierung von drahtlosen Sensoren, Aktoren sowie zur Nutzung aktiver Transponder zur Radiofrequenz-Identifikation fortsetzt. Außerdem setzt sich langsam die Elektrifizierung unterschiedlichster, auch großer und schwerer Verkehrsmittel durch.

Der Aspekt der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichern ist vergleichsweise neu. Der Schwerpunkt dieser Bemühungen liegt bei den sekundären Batteriesystemen, auch Akkumulatoren genannt, die wieder aufgeladen werden können, sowie primären Batteriesystemen, die nicht für eine Aufladung vorgesehen sind. Weiterlesen

Textiles Energy Harvesting

Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Die Entwicklung intelligenter Textilien hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Dabei wurden Textilien mit immer mehr „smarten“ Funktionen ausgestattet, etwa der, die Vitalparameter ihres Trägers zu erfassen, Energie zu speichern und für verschiedene Geräte zur Verfügung zu stellen, ihre Farbe passend zur Stimmung ihres Trägers zu verändern oder für eine bessere Klimatisierung zu sorgen. Damit stehen sie für eine große Bandbreite an Anwendungen zur Verfügung: von der Gesundheitsvorsorge und Telemedizin über den Sport- und Freizeitbereich bis hin zum Rettungsdienst. Eine große Einschränkung stellt derzeit jedoch noch die zuverlässige Versorgung solcher intelligenten Textilien mit ausreichend Energie dar. Zwar befinden sich bereits textile Batterien und Superkondensatoren in der Entwicklung und intelligente Textilien lassen sich auch mit herkömmlichen Batterien kombinieren. Doch müssen beide Arten von Energiespeichern regelmäßig aufgeladen werden. Das erweist sich in der Regel als unpraktisch und herkömmliche Batterien sind im Vergleich zu einer textilen Energieversorgung schwer und klobig. Daher wird verstärkt daran geforscht, die Textilien selbst mit der Fähigkeit zur Energiegewinnung aus der Umgebung zu versehen. Weiterlesen

2D-Magnete

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Mindestens schon seit der Seefahrt der Antike hat der Magnetismus den Menschen begleitet und wird heute in Technologien wie Festplattenspeichern und für medizinische Bildgebungsverfahren verwendet. Dieser langen Geschichte steht das sehr junge Forschungsfeld der 2D-Materialien gegenüber, das erst – ausgehend von der Entdeckung des Graphens – seit weniger als 20 Jahren eingehender untersucht wird. Obgleich seitdem sehr viele 2D-Materialien vorhergesagt, gefunden und isoliert wurden, war lange nicht klar, ob es auch magnetische 2D-Materialien geben könnte. Durch Modifikationen nicht-magnetischer 2D-Materialien, z. B. durch Einfügen von Defekten, kann zwar Magnetismus in diesen Materialien generiert und induziert werden, aber gänzlich intrinsische 2D-Magnete waren noch bis vor 5 Jahren unbekannt. Zwar wurde diese Eigenschaft bereits Mitte des letzten Jahrhunderts vorhergesagt, aber es gelang erst 2016 ein erstes permanent magnetisches 2D-Material zu isolieren. Weiterlesen

Textile Energiespeicher

Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Das Forschungsfeld textiler Energiespeicher ist erst in den letzten zehn Jahren neu entstanden, aber in dieser Zeit bereits enorm gewachsen. Ziel ist es dabei, Garne oder Gewebe mit der Fähigkeit zur Speicherung elektrischer Energie zu versehen. Dies ist für verschiedene Anwendungen interessant, die wichtigste ist jedoch die Nutzung in sogenannten intelligenten Textilien. Dies können etwa Smartshirts sein, die die Vitalparameter ihres Trägers erfassen sowie überwachen (Biomonitoring) und vor allem für Telemedizin und Sport von Interesse sind. Insbesondere könnte hiervon die Versorgung älterer Menschen profitieren: Durch eine permanente Überwachung ihres Gesundheitszustandes mithilfe solcher Smartshirts könnten sie z. B. länger in ihrem eigenen Heim wohnen. Aber auch im Bereich der Unterhaltungselektronik könnten intelligente Textilien neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise indem sich andere tragbare Geräte wie Smartphones über sie steuern und/oder mit Energie versorgen lassen. Weiterlesen

MXene

Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Mit der Entdeckung des Graphens im Jahr 2004 haben zweidimensionale (2D) Materialien wie MXene aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen, elektronischen, optischen sowie chemischen Eigenschaften und den damit verbundenen Anwendungsmöglichkeiten ein wachsendes Interesse erzeugt.

Im Gegensatz zum Graphen, bei dem die Abtrennung der benötigten atomlagen-dünnen Schichten ohne viel Kraftaufwand durch mechanische Trennung möglich ist, ist bei MXenen eine chemische Trennung erforderlich. Als Ausgangsmaterial für MX­ene dienen MAX-Phasen, deren Schichtstrukturen aus Übergangsmetallen (M) bestehen, die von Kohlenstoff oder Stickstoff (X) koordiniert werden, und einem dazwischenliegenden Element der 3. oder 4. Hauptgruppe (A). Für MXene werden daher Ätzverfahren mit Fluss- oder Salzsäure in Kombination mit Fluoridsalzen eingesetzt, um die A-Schichten selektiv zu lösen und die MXene zu isolieren. Weiterlesen

Wärmeleitende Kunststoffe

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Kunststoffe begleiten uns praktisch überall durch den Alltag, was ihrer ausgesprochenen Vielseitigkeit zu verdanken ist. Eine sehr prägnante Eigenschaft von Kunststoffen, die häufig auch bewusst eingesetzt wird, ist ihre gute thermische Isolation (die Wärmeleitfähigkeit liegt allgemein im Bereich 0,1 – 0,6 W/mK). In einer zunehmend digitalisierten Welt kann sich dies aber auch nachteilig auswirken, z. B. bei der Weiterentwicklung von flexibler organischer Elektronik oder der weiteren Miniaturisierung von Systemen. Wärmeleitfähige Polymere stellen daher eine sinnvolle Ergänzung im Repertoire der Kunststofftechnik dar. Neben ihrem vielseitigen Einsatz in elektronischen Komponenten könnten sie beispielsweise auch als Wärmetauscher, für thermoregulierende Textilien (stabil > 200 °C) oder im Bereich der Energieindustrie eingesetzt werden. Dabei können derartige Kunststoffe bedarfsgerecht in ihren Eigenschaften zur elektrischen Isolierung oder Leitung verändert und damit optimiert werden. Um eine solche Optimierung der Wärmeleitung in Polymeren zu ermöglichen ist ein gutes Verständnis der an der Wärmeleitung beteiligten Mechanismen unabdingbar. Weiterlesen

Direkte solare Wasserstofferzeugung

Dr. David Offenberg, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Durch eine Bestrahlung mit Sonnenlicht können in einem Halbleiter negative und positive Ladungsträger freigesetzt werden. Bei Solarzellen erzeugt man dadurch elektrischen Strom. Bei der direkten solaren Wasserstofferzeugung nutzt man diese Ladungsträger, um damit direkt an der Oberfläche der Halbleiter Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Im Vergleich zur Wasserspaltung durch Elektrolyse mit Strom aus Solarzellen verspricht man sich von dieser direkteren Methode eine deutlich einfachere technische Umsetzung und eine höhere Effizienz. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist es bisher aber noch nicht gelungen, konkurrenzfähige Systeme zu entwickeln. In den letzten Jahren sind jedoch vielversprechende Entwicklungen und ein starker Anstieg der Forschungsaktivität zu beobachten. Solarer Wasserstoff könnte in Zukunft in vielen Bereichen fossile Energieträger ersetzen und für industrielle Prozesse aus Erdgas erzeugten Wasserstoff ablösen, um zu einer Senkung der CO2-Emissionen beizutragen. Weiterlesen

Maschinelles Lernen in der Werkstoffentwicklung

Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Beim maschinellen Lernen (ML), einem Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, erlernen Computer anhand von Beispieldaten bestimmte Aufgaben, z. B. ein Objekt auf einem Bild zu erkennen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei, dass das System aber nicht nur aus gegebenen Daten lernen, sondern später auch verallgemeinern können soll, dass also im Anwendungsfall auch bisher unbekannte Daten bewertet werden können. Zum einen lassen sich mit Hilfe maschinellen Lernens große Datenmengen auswerten, weswegen diese Technologie in enger Beziehung zum Konzept Big Data steht. Zum anderen wird als Vorteil gesehen, dass durch die Nutzung von ML auch mit unvollständigem Hintergrundwissen valide Ergebnisse über bisher unerkannte Zusammenhänge in den untersuchten Daten erhalten werden können. Weiterlesen

Borverbindungen mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Die Wärmeleitfähigkeit von Materialien spielt in den verschiedensten Bereichen, von der Biologie über das Wohnen bis hin zur Elektronik, eine große Rolle oder ist für bestimmte Funktionalitäten wie sehr hohe Rechenleistungen sogar essentiell und zukünftig von enormer Wichtigkeit. Materialien mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit gibt es jedoch nur wenige; hier werden sie definiert als Materialien deren Wärmeleitfähigkeit κ bei Raumtemperatur über der von Kupfer (>400 W/mK) liegt. So besitzt Diamant die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit (>2000 W/mK), gefolgt von Materialien wie Graphit (≈2000 W/mK, bezogen auf die Wärmeleitung entlang der Schichten), Siliziumcarbid (490 W/mK) und Silber (427 W/mK). In der Elektronik wird beispielsweise Diamant zur Wärmeableitung eingesetzt. Typischerweise ist dabei mikrokristallines Diamantmaterial in einem Metall gebunden, wobei Wärmeleitfähigkeiten von einigen hundert W/mK erreicht werden. Eine direkte Produktion von Diamanten in Wafergröße zur Wärmeableitung auf Chipebene ist jedoch immer noch sehr teuer und bildet die Ausnahme. Weiterlesen