Universität Stuttgart
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Item Open Access SyKonaS - Projektbericht. Nr. 1, Konflikte in der Energiewende: Definitionen und Typologien(Stuttgart : Verbundvorhaben SyKonaS, Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS), 2022) Minn, Fabienne; Wassermann, Sandra; León, Christian D.; Püttner, Andreas (Mitwirkender); Liebhart, Laura (Mitwirkende); Wolf, Patrick (Mitwirkender)Das Forschungsprojekt "SyKonaS: Systemische Konfliktanalyse mittels Szenariotechnik" hat zum Ziel, gesellschaftliche Konflikte und deren Wechselwirkungen in der Energiewende zu verstehen, zu antizipieren und Lösungsvorschläge zu entwickeln. Im Rahmen dieser Zielsetzung wurden im Arbeitspaket 1 des Projektes die Konflikte der Energiewende empirisch aufgearbeitet und eine systematische Typologie von Energiewendekonflikten entwickelt (Task 1). Im vorliegenden Bericht werden das Vorgehen und die erzielten Ergebnisse beschrieben.Item Open Access Coordination chemistry as a universal strategy for a controlled perovskite crystallization(2023) Zuo, Weiwei; Byranvand, Mahdi Malekshahi; Kodalle, Tim; Zohdi, Mohammadreza; Lim, Jaekeun; Carlsen, Brian; Magorian Friedlmeier, Theresa; Kot, Małgorzata; Das, Chittaranjan; Flege, Jan Ingo; Zong, Wansheng; Abate, Antonio; Sutter‐Fella, Carolin M.; Li, Meng; Saliba, MichaelThe most efficient and stable perovskite solar cells (PSCs) are made from a complex mixture of precursors. Typically, to then form a thin film, an extreme oversaturation of the perovskite precursor is initiated to trigger nucleation sites, e.g., by vacuum, an airstream, or a so-called antisolvent. Unfortunately, most oversaturation triggers do not expel the lingering (and highly coordinating) dimethyl sulfoxide (DMSO), which is used as a precursor solvent, from the thin films; this detrimentally affects long-term stability. In this work, (the green) dimethyl sulfide (DMS) is introduced as a novel nucleation trigger for perovskite films combining, uniquely, high coordination and high vapor pressure. This gives DMS a universal scope: DMS replaces other solvents by coordinating more strongly and removes itself once the film formation is finished. To demonstrate this novel coordination chemistry approach, MAPbI3 PSCs are processed, typically dissolved in hard-to-remove (and green) DMSO achieving 21.6% efficiency, among the highest reported efficiencies for this system. To confirm the universality of the strategy, DMS is tested for FAPbI3 as another composition, which shows higher efficiency of 23.5% compared to 20.9% for a device fabricated with chlorobenzene. This work provides a universal strategy to control perovskite crystallization using coordination chemistry, heralding the revival of perovskite compositions with pure DMSO.Item Open Access High-resolution analysis of ionomer loss in catalytic layers after operation(2018) Morawietz, T.; Handl, M.; Oldani, C.; Gazdzicki, P.; Hunger, Jürgen; Wilhelm, Florian; Blake, John; Friedrich, K. Andreas; Hiesgen, R.The function of catalytic layers in fuel cells and electrolyzers depends on the properties of the ionically conductive phase, which are most commonly perfluorinated ionomers based on Nafion and Aquivion. An analysis by atomic force microscopy reveals that the ultrathin ionomer films around Pt/C agglomerates have a thickness distribution ranging from 3.5 nm to 20 nm. Their conductivity and gas permeation properties determine the fuel cell performance to a large extend. For electrodes in Aquivion-based membrane-electrode-assemblies operation-induced structure changes were investigated by means of material- and conductivity-sensitive atomic force microscopy, infrared spectroscopy and electron-dispersive X-ray analysis. The observed thinning of the ultrathin ionomer films was mainly caused by polymer degradation deduced from reduced swelling after long-time operation and a significant loss of ionomer with operation time detected by infrared spectroscopy. From the linear thickness increase of the ultrathin films with rising humidity, a mainly layered structure of the ionomer was deduced. An influence of thickness of such ultrathin ionomer films on fuel cell lifetime was found by analysis of differently prepared membrane-electrode-assemblies, where a linear increase of irreversible degradation rate with ionomer film thickness in the electrodes of unused membrane-electrode-assemblies was found.Item Open Access Irradiation-dependent topology optimization of metallization grid patterns and variation of contact layer thickness used for latitude-based yield gain of thin-film solar modules(2022) Zinßer, Mario; Braun, Benedikt; Helder, Tim; Magorian Friedlmeier, Theresa; Pieters, Bart; Heinlein, Alexander; Denk, Martin; Göddeke, Dominik; Powalla, MichaelWe show that the concept of topology optimization for metallization grid patterns of thin-film solar devices can be applied to monolithically integrated solar cells. Different irradiation intensities favor different topological grid designs as well as a different thickness of the transparent conductive oxide (TCO) layer. For standard laboratory efficiency determination, an irradiation power of 1000W/m2is generally applied. However, this power rarely occurs for real-world solar modules operating at mid-latitude locations. Therefore, contact layer thicknesses and also lateral grid patterns should be optimized for lower irradiation intensities. This results in material production savings for the grid and TCO layer of up to 50 % and simultaneously a significant gain in yield of over 1%for regions with a low annual mean irradiation.Item Open Access SyKonaS - Projektbericht. Nr. 4, Entwicklung und Anpassung von Instrumenten zur Konfliktbearbeitung im Rahmen der Energiewende(Stuttgart : Verbundvorhaben SyKonaS, Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS), 2024) Püttner, Andreas; Liebhart, Laura; Wolf, Patrick; Jaschek, Carolin; León, Christian D.; Wassermann, Sandra; Wegner, Nils; Klug, Katharina; Otto, JonasDas Forschungsprojekt "SyKonaS - Systemische Konfliktanalyse mittels Szenariotechnik" hat zum Ziel, gesellschaftliche Konflikte und deren Wechselwirkungen in der Energiewende zu verstehen, zu antizipieren und Lösungsvorschläge zu entwickeln. Ein Teil des Projekts setzt sich mit der Identifikation und Weiterentwicklung von Instrumenten auseinander, die dazu beitragen sollen bzw. können, die im Rahmen des Projekts identifizierten Konflikte der Energiewende im Stromsektor zu mindern. Um die als besonders relevant identifizierten Konfliktfelder möglichst deckend bespielen und Lücken im bestehenden Instrumentenkasten schließen zu können, werden zum Teil bereits bestehende Instrumente weiterentwickelt und zum anderen neue Instrumente aufgegriffen, die in Deutschland bisher noch nicht in dieser Form umgesetzt sind.Item Open Access SyKonaS - Projektbericht. Nr. 3, Abschätzung gesellschaftlicher Konflikte in Energieszenarien(Stuttgart : Verbundvorhaben SyKonaS, Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS), 2023) Püttner, Andreas; Liebhart, Laura; Wolf, Patrick; León, Christian D.; Prehofer, Sigrid; Wassermann, Sandra; Jaschek, Carolin (Mitwirkende)Das Forschungsprojekt "SyKonaS: Systemische Konfliktanalyse mittels Szenariotechnik" hat zum Ziel, gesell-schaftliche Konflikte und deren Wechselwirkungen in der Energiewende zu verstehen, zu antizipieren und Lösungsvorschläge zu entwickeln. Ein Teil des Projekts setzt sich mit der Identifikation, Analyse und Bewertung (potenzieller) Konfliktthemen und deren Konflikthaftigkeit auseinander, die mit der Realisierung von Ausbaupfaden in Energiewendeszenarien verbunden sind. Hierbei steht insbesondere die Analyse ausgewählter Energiewendeszenarien hinsichtlich der zu erwartenden Konflikte im Vordergrund.Item Open Access Integrated Policy Package Assessment (IPPA) : a problem-oriented research approach for sustainability transformations(2022) Scheer, Dirk; Schmidt, Maike; Dreyer, Marion; Schmieder, Lisa; Arnold, AnnikaIn this paper, we present the Integrated Policy Package Assessment (IPPA) approach and relate IPPA to three substantial concepts of problem-oriented research concerned with societal transformations: technology assessment (TA), sustainability research (SR), and responsible research and innovation (RRI). The IPPA approach provides (political) decision-makers with transformation and orientation knowledge via a four-step process of (1) design, (2) analysis, (3) evaluation, and (4) discourse of a policy package assessment. It is illustrated with a case study of urban passenger transport. As an integrated approach, IPPA has substantial ties to TA, SR, and RRI. It connects with TA in fundamental ways, since it combines the field of TA with the field of regulatory assessment based on consequence analysis. Connectable to the field of SR, IPPA addresses deliberation processes and sustainable pathway identification based on multi-criteria assessment. In addition, akin to the area of RRI, IPPA shows cross-cutting axes with regards to social resonance assessment and stakeholder evaluation with a focus on multi-actor responsibilities. In this contribution, we link evidence-based impact assessment with transformation pathway mechanisms and corresponding policy packages, backed by stakeholder-based responsible innovation feedback loops. This enhances the ex-ante analysis of policy packages regarding their intended as well as unintended consequences.Item Open Access One‐step thermal gradient‐ and antisolvent‐free crystallization of all‐inorganic perovskites for highly efficient and thermally stable solar cells(2022) Byranvand, Mahdi Malekshahi; Kodalle, Tim; Zuo, Weiwei; Magorian Friedlmeier, Theresa; Abdelsamie, Maged; Hong, Kootak; Zia, Waqas; Perween, Shama; Clemens, Oliver; Sutter‐Fella, Carolin M.; Saliba, MichaelAll‐inorganic perovskites have emerged as promising photovoltaic materials due to their superior thermal stability compared to their heat‐sensitive hybrid organic–inorganic counterparts. In particular, CsPbI2Br shows the highest potential for developing thermally‐stable perovskite solar cells (PSCs) among all‐inorganic compositions. However, controlling the crystallinity and morphology of all‐inorganic compositions is a significant challenge. Here, a simple, thermal gradient‐ and antisolvent‐free method is reported to control the crystallization of CsPbI2Br films. Optical in situ characterization is used to investigate the dynamic film formation during spin‐coating and annealing to understand and optimize the evolving film properties. This leads to high‐quality perovskite films with micrometer‐scale grain sizes with a noteworthy performance of 17% (≈16% stabilized), fill factor (FF) of 80.5%, and open‐circuit voltage (VOC) of 1.27 V. Moreover, excellent phase and thermal stability are demonstrated even after extreme thermal stressing at 300 °C.Item Open Access Akteurskonflikten in der Energiewende gegensteuern : Impulse für die Instrumentenentwicklung : Impulspapier - SyKonaS(Stuttgart : Verbundvorhaben SyKonaS, Koordination: Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS), 2024) Jaschek, Carolin; León, Christian D.; Liebhart, Laura; Püttner, Andreas; Wolf, Patrick; Klug, Katharina; Otto, Jonas; Wegner, Nils; Dreyer, Marion; Dreyer, Marion (Redaktion); Dratsdrummer, Frank (Redaktion); Witzel, Bianca (Redaktion)Dieses Impulspapier adressiert gesellschaftliche Energiewendekonflikte als politisches und rechtliches Handlungsfeld und präsentiert eine Reihe von Instrumentenoptionen für die Bearbeitung von bereits bestehenden und möglichen zukünftigen Akteurskonflikten im Kontext der Energiewende. Der Fokus liegt auf der Konfliktbearbeitung bei der Transformation des Stromsektors und auf drei ausgewählten Konfliktfeldern: Gerechtigkeit und Kosten-/Lastenverteilung, Flächennutzung und Partizipation.Item Open Access Topology optimization of metalization grid patterns to improve the Power conversion efficiency of thin-film solar cells(2021) Braun, BenediktDer metallische Leiter, welcher in Form eines Gitters auf der Oberfläche einer Solarzelle angebracht ist, heißt Grid. Die Funktion dieses Grids ist es, den in der Absorberschicht einer Solarzelle erzeugten Strom, ohne große Verluste, an der Oberfläche zum externen Abgreifpunkt zu leiten. Durch die sehr gute Leitfähigkeit des Grids wird ein verlustarmer Ladungstransport ermöglicht. Allerdings bewirkt das für Lichtstrahlen undurchdringbare Grid eine Abschattung der Absoberschicht und verhindert, dass an dieser Stelle Strom erzeugt werden kann. Wenn kein Grid angebracht ist, fließt die Ladung durch die oberste Schicht einer Solarzelle. Diese besteht aus transparenten leitfähigen Oxiden (engl. transparent conducting oxides (TCO)). Das TCO lässt Lichtstrahlen durch und dadurch kann Strom erzeugt werden. Obwohl die Schicht den Strom leiten kann, besitzt sie denoch einen sehr hohen elektrischen Widerstand. Das bedeutet, eine geeignete Wahl des Gridmusters verschattet möglichst wenig Fläche der Solarzelle und bietet trotzdem einen flächendeckenden, verlustarmen Ladungsabtransport. Ein Gridmuster, welches beide Anforderungen bestens erfüllt, soll in dieser Bachelorarbeit mithilfe von Topologie-Optimierung gefunden werden. Topologie-Optimierung ist eine mathematische Optimierungsmethode, mit der, innerhalb eines Gebietes, eine optimale Materialverteilung gefunden werden kann, um eine hohe, strukturbedingte Leistung zu erzielen. Im Zuge dieser Arbeit ist dieses Gebiet die Oberfläche einer Solarzelle und das Material, welches auf der Oberfläche verteilt werden soll, ist das Metall, welches das Gridmuster bildet. Die Leistung einer Solarzelle wird mit dem Wirkungsgrad angegeben. Der Wirkungsgrad ist die Effizienz, mit der die Solarenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Zur Berechnung des Wirkungsgrades wird das Gebiet mit einem Voronoi-Diagramm in Simplizes unterteilt. Basierend auf der Poisson-Gleichung für elektrische Leitfähigkeit, kann die Ladung, die durch ein Simplex fließt, mit einer Finite-Elemente-Methode berechnet werden. Aus den einzelnen generierten Strömen lässt sich ein Gesamtstrom berechnen, mit welchem die erzeugte, elektrische Energie berechnet werden kann. Der einzige Parameter, welcher zur Berechnung der Effizienz einer Solarzelle benötigt und in dieser Arbeit variiert wird, ist das Gridmuster. Die Komponenten des Dichtevektors geben dabei die Metalldichte eines jeden Simplexes an. Zur Optimierung dieses Dichtevektors werden in dieser Arbeit Optimierungsverfahren verglichen, die in Richtung des steilsten Abstiegs optimieren. Mit einem dieser Ver- fahren werden weitere Modifizierungen des Dichtevektors getestet. Eine der Modifizierungen betrifft dabei die Umgebung des externen Abgreifpunktes. Die aufgebrachte Gridfläche muss an dieser Stelle groß genug sein, damit ein externer Kontakt ohne Probleme angebracht werden kann. Die nächste Modifizierung, die verwendet wird, ist eine Methode zur lokalen Optimierung. Dabei werden die durch die Diskretisierung entstandenen Simplizes zufällig in mehrere lokalen Teilgebiete eingeteilt und der Reihe nach optimiert. Besitzt eine Komponente des Dichtevektors einen Wert von 0 steht dies für kein Grid, während ein Wert von 1 für das vorhanden sein von Grid steht. Die Komponenten des Dichtevektors repräsentieren dabei jeweils ein Simplex und damit eine Teilfläche der Solarzelle. Eine Modifizierung ermöglicht außer den Werten 0 (kein Grid, schlecht leitend, Strom wird erzeugt) und 1 (Grid, gut leitend, kein Strom wird erzeugt) Zwischenwerte. Mit diesen Zwischenwerten kann eine kontinuierliche Optimierung durchgeführt werden. Die Leitfähigkeit bzw. die Möglichkeit Strom zu generieren, wird dabei für Zwischenwerte interpoliert. Je nach Wahl der Interpolationsfunktion, kann der Wert der Leitfähigkeit für Zwischenwerte gut oder schlecht sein. Ebenso für die Menge an generiertem Strom. Sowohl niedrige als auch hohe Werte kommen mit Vorteilen, weshalb eine geschickte Kombination zu einem verbesserten Optimierungsverhalten führen kann. Die letzte Modifizierung, die eine Rolle spielt, ist das Gridmuster, von welchem ausgehend optimiert wird. Dabei wird, unter anderem, das im Labor vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) verwendete Gridmuster optimiert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit den kombinierten Methoden und den Ergebnissen der damit durchgeführten Optimierungen ein neues Gridmuster zu konstruieren, welches dem bisher verwendeten Gridmuster überlegen ist.