Verschiedene Klimamodelle sagen eine Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur in den nächsten Jahrzehnten voraus.[1]
Vorliegende Aussage zweifelt die Richtigkeit der „Prognosen“ an. Es wird angenommen, es seien die Prognosen zur Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur gemeint.
Im Folgenden wird betrachtet, inwiefern die angeführten Argumente die Annahme stützen, die Prognosen zur durchschnittlichen Oberflächentemperatur sein falsch.

Das erste Argument vergleicht Klimamodelle mit Wettervorhersagen. Allerdings hängen Klimamodelle von anderen Faktoren als Wettervorhersagen ab. So haben die für die Wettervorhersagen wichtige Eigenschaften der Atmosphäre, also z.B. Windrichtung, weniger auf Einfluss auf Ergebnisse der Klimamodelle. Diese hängen mehr von Klimasystem-Faktoren wie Ozeanen, Eisflächen und Ökosystemen ab.[2]

Das zweite Argument führt an, dass die Modelle falsifizierbar sein müssen, sonst handele es sich um eine Ideologie. Falsifizierbarkeit nach Popper bedeutet, dass eine experimentelle Überprüfung möglich ist, die eine Theorie widerlegen könnte. [4] Da Klimamodelle überprüfbare Vorhersagen treffen, sind sie also falsifizierbar und somit wissenschaftlich. Eine Überprüfung vergangener Modelle zeigt, dass Vorhersagen übers Klima in der Vergangenheit in 9 aus 17 Fällen in Bezug auf die vorhergesagte Durchschnitttsoberflächentemperatur unter Berücksichtigung der im Model enthaltenen Unsicherheiten konsistent korrekt waren. [3]

Das bedeutet allerdings nicht per se, dass sie falsch sind. Falsifizierbarkeit ist also kein Grund zur Annahme, die Klimamodelle seien falsch.

Das dritte Argument stellt fest, dass sich nicht alle Fachleute einig sind. Sechs unabhängige Studien haben erarbeitet, dass 90% – 100% der Wissenschaftler mit Expertise im Gebiet der Klimaforschung den menschengemachten Klimawandel anerkennen. [5] Die Mehrheit der Experten spricht sich also für die Richtigkeit der Grundannahme der Klimamodelle aus. Die angeführte Uneinigkeit ist also gering, was eher für die Richtigkeit der Modelle spricht.

Zusammengefasst spricht keines der vorliegenden Argumente für die Annahme, die Prognosen zur Erhöhung der globalen durchschnittlichen Oberflächentemperatur seien falsch. Im Gegenteil zeigt die Vergangenheit, dass Klimamodelle bisher überwiegend richtige Vorhersagen getroffen haben.

Quellen
[1] IPCC, 2023: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2023: Synthesis Report.Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, H. Lee and J. Romero (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, pp. 1-34, doi: 10.59327/IPCC/AR6-9789291691647.001.
[2] DWD; „Klimavorhersagen/Klimaprognosen und Klimaprojektionen – Wie kann man eigentlich das Klima bis 2050 darüber hinaus berechnen?“ abgerufen am 15.07.2026 unter https://www.dwd.de/SharedDocs/faqs/DE/klima_faqkarussell/klimaprojektionen_1.html
[3] Hausfather, Z., Drake, H. F., Abbott, T., & Schmidt, G. A. (2020). Evaluating the performance of past climate model projections. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL085378. https://doi.org/10.1029/2019GL085378
[4] Karl R. Popper, Logik der Forschung (Tübingen: Mohr Siebeck, 1935)

[5] John Cook et al, 2016 Environ. Res. Lett. 11 048002

Halbleiter und das Bändermodell: 

Leiter, wie Metalle, sind immer leitfähig und Isolatoren leiten Strom nie. Halbleiter sind nur unter bestimmten Bedingungen leitfähig. Im Folgenden wird dieses Phänomen ausgehend vom Einzelatom bis zum gesamten Festkörper erklärt. 

Alle Atome haben Valenzelektronen, welche sich laut dem Schalenmodell in der äußersten Schale befinden. Dieses Modell erweitern wir nun.  Den Aufenthaltsort von Elektronen können wir nicht genau bestimmen, jedoch können wir einen dreidimensionalen Raum bestimmen, indem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen bei über 90% liegt. Dieser Raum wird als Orbital bezeichnet. Ein Orbital kann mit 2 Elektronen gefüllt sein. Jedes dieser Orbitale hat einen Energiegehalt und die Elektronen befinden sich daher auf bestimmten Energieniveaus. Dabei gilt die Regel, dass Elektronen immer die minimale Energie anstreben, also zuerst Orbitale mit den niedrigsten Energieniveaus besetzten.  Zudem gibt es das Pauli-Prinzip, was besagt, dass keine zwei Elektronen im gleichen Quantenzustand sein dürfen, was beinhaltet, dass nicht mehr als zwei Elektronen das gleiche Energieniveau haben dürfen.  

Wenn sich nun zwei Atome annähern, dann überlappen die Valenzorbitale der Atome und die sich darin befindenden Elektronen treten in Wechselwirkung.  Nun spalten sich die Energieniveaus der Orbitale in zwei energetisch verschiedene Zustände auf (siehe Abb. 1). Auf diese Zustände verteilen sich die Valenzelektronen nach dem Prinzip der Energie Minimierung.  

Abb. 1: Bildung eines Bandes am Beispiel von Natrium. ((Lewerenz, Jungblut, S. 12, Kapitel 2.2.1, 2.1.2 Gottstein, S. 447) Skript 1. Semester Leitfähigkeit (27.8.26)) 

Wenn nun ganz viele Atome im Festkörper wechselwirken, dann erhöht sich die Anzahl der Zustände entsprechend der Atomanzahl. Je mehr Atome interagieren, desto näher rücken die Zustände energetisch zusammen. Dies passiert, bis es zu einem Punkt kommt, dass die Zustände ein sich als kontinuierliches Band darstellen lassen. Dort sind die Unterschiede in den Energiezuständen verschwindend gering. Wegen des Pauli-Prinzips gibt es dabei keine zwei Zustände mit dem gleichen Energieniveau. Wenn die Orbitale vorher nicht mit zwei Elektronen besetzt waren (sh. Abb. 1 für das Beispiel Natrium), führt es dazu, dass Teile des Bandes frei sind. Wenn nun diese Elektronen angeregt werden, also mehr Energie bekommen, können diese in die freie Energiezustände des Bandes springen und werden so zu freien Ladungsträgern, wodurch ein Stromfluss entstehen kann. Dafür ist bei Leitern nicht viel Energie nötig. 

Abb. 2 Bandüberlappung beim Magnesium. (Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum der Materialwissenschaft I, Wintersemester 2014/15, Fachgebiet Oberflächenforschung, TU Darmstadt, S. 7.) 

Bei Metallen/Leitern existiert oberhalb des letzten besetzten Zustands direkt ein freier Zustand (Abb. 1 und 2). Silizium ist jedoch kein Metall, sondern ein Halbleiter. Halbleiter haben die Eigenschaft, dass zwischen dem mit Elektronen besetzten Valenzband und dem unbesetzten Leiterband ein Bereich von für Elektronen verbotenen Energieniveaus besteht, die Bandlücke (Abb. 3). Diese ist ein Sperrbereich, in dem keine Energieniveaus existieren dürfen, in denen sich die Elektronen befinden könnten. Dies führt dazu, dass damit die Elektronen im Halbleiter deutlich mehr Energie brauchen, um angeregt zu werden und in das nächsthöhere Energieniveaus zu springen, da sie die Bandlücke überwinden müssen.

Abb. 3: Bandüberlappung beim Magnesium ((Lewerenz, Jungblut, S. 12, Kapitel 2.2.1, 2.1.2 Gottstein, S. 447) Skript 1. Semester Leitfähigkeit (27.8.26)) 

Diese Anregung ist möglich, wenn der Halbleiter Photonen absorbiert, deren Energie die Bandlücke übersteigt.  Durch die Lichtabsorption werden Elektronen ins Leitungsband angeregt und lassen Löcher im Leitungsband zurück. Dies sind mobile Ladungsträger, die einen Strom generieren könnten. Allerdings rekombinieren sie in einer ladungsneutralen Umgebung einfach wieder, das heißt das Elektron kehrt in das Valenzband zurück. Damit die Elektronen nicht rekombinieren, muss also ein elektrisches Feld auf die Ladungsträger wirken. Hierzu wird das Silizium gezielt modifiziert. 

Dotierung von Siliziumzellen: 

Ordnet man zwei unterschiedlich dotierte Materialien nebeneinander an, entsteht eine Raumladungszone, die Photovoltaik möglich macht. Auf die genauen Vorgänge wird im Folgenden eingegangen. Die Energie, bei dem die Wahrscheinlichkeit für die Besetzung mit einem Elektron genau 50 % beträgt, wird Fermienergie  genannt. Bei undotierten Halbleitern liegt die Fermienergie ca. in der Mitte der Bandlücke. 

n-Dotierung: 

Will man Silizium n-Dotieren, müssen Phosphor-Atome eingesetzt werden (Abb. 4). Dadurch bleibt der Stoff weiterhin neutral geladen, aber es liegen zusätzliche, frei bewegliche Elektronen vor, da Phosphor ein Valenzelektron mehr als Silicium hat. 

Werden dem Halbleiter durch n-Dotierung zusätzliche Elektronen hinzugefügt, ändert sich das Ladungsgleichgewicht im Halbleiter. Die zusätzlichen Elektronen können leicht ins Leitungsband angeregt werden, weswegen sich der energetische Punkt, an dem die Besetzungswahrscheinlichkeit für Elektronen und Löcher 50 % beträgt, näher an das Leitungsband verschiebt. Die Fermienergie wandert also bei einer n-Dotierung in der Bandlücke nach oben (Abb. 6 n-dotiert Halbleiter). 

Abb. 4 n-Dotierung (https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/2018/12/image/vereinfachung_n-halbleiter.svg) 

p-Dotierung: 

Bei der p-Dotierung werden in Silizium-Kristalle beispielsweise Bor-Atome eingesetzt. Daraus resultiert, dass an einigen Stellen (rote Atome in Abb. 5) Elektronen fehlen, da Bor ein Valenzelektron weniger hat als Silizium. Diese Stellen nennt man Löcher. Auch die Löcher bewegen sich, wenn eine Spannung angelegt wird. 

Die Verringerung der Elektronenzahl durch p-Dotierung hat eine Verschiebung der Fermienergie zu niedrigeren Energien (also in Richtung Valenzband) zur Folge (Abb. 6 p-dotierter Halbleiter). 

Abb. 5: p-Dotierung (https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/2018/12/image/vereinfachung_p-halbleiter.svg) 

Raumladungszone: 

Die Löcher und Elektronen im dotierten Silizium rekombinieren, also die freien Elektronen füllen die Löcher, wenn man eine p-Dotierte und eine n-Dotierte Schicht nebeneinander montiert. Heißt: die n-Schicht verliert Elektronen, die p-Schicht verliert Löcher. Zwischen den Schichten entsteht eine Raumladungszone mit einem Pluspol auf n-Seite und einem Minuspol auf der p-Seite.  
 

Stromerzeugung: 

Abb. 6 Fermienergie in verschieden dotierten Halbleitern (Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum Materialwissenschaft I) 

Dadurch, dass sich im n-Halbleiter viele freie Elektronen und im p-Halbleiter viele Löcher befinden, gibt es Unterschiede im chemischen Potential der n- und der p-Zone. Durch diesen Unterschied entsteht ein Diffusionsstrom zwischen den beiden Zonen, wodurch sich die Bänder verbiegen und die Fermienergie sich anpasst (Abb. 6 pn-Kontakt). Dieser pn-Übergang ist die Raumladungszone, in der die Bänder gekrümmt sind. Dieser Potentialunterschied führt dazu, dass die Elektronen aus der n- Schicht in die p-Schicht fließen und die Löcher und Elektronen rekombinieren. Nun verbleiben in der n-Zone ortsgebundene positive Atomrümpfe und in der p-Zone ortsgebundene negative Ladungen, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. ​

Abb. 7: Schematische Darstellung des p/n-Übergangs einer Solarzelle (https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/silizium-solarzellen) 

Die Solarzelle ist aufgebaut aus einer dünnen n-dotierten Schicht, dann der Raumladungszone und abschließend einer dickeren p-dotierten Schicht. Ob und unten sind jeweils Metallkontakte angebracht, die später mit einem Verbraucher verbunden werden können. 

Wenn nun Elektronen in der Raumladungszone angeregt werden und auf ein höheres Energieniveau springen, können sich die Elektronen dauerhaft von den Atomrümpfen ablösen, da es vom elektrischen Feld in der Raumladungszone beeinflusst wird. Das Elektron bewegt sich zur ortsfesten positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, das positive Loch bewegt sich zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Es kommt also zu einer Ladungstrennung und somit einer Spannung, die bei einer Silizium-Solarzelle etwa 0,5 V beträgt. Diese Spannung ist an den Metallkontakten abgreifbar. 

Verbindet man die Metallkontakte der Solarzelle mit einem Verbraucher, so kann Strom fließen. Dabei bewegen sich die Elektronen durch die n-Schicht und gelangen in den äußeren Stromkreis. Die Löcher fließen durch die p-Schicht und werden durch die Elektronen, die über den äußeren Stromkreis zur p-Schicht fließen aufgehoben (Rekombination). Die durch das Licht entstandenen Elektron-Loch-Paare rekombinieren über den Stromkreis, da der Widerstand der zu durchdringenden n- bzw. p-Schicht und des äußeren Stromkreises kleiner ist als der Widerstand der Raumladungszone. 

Auf das Bändermodell bezogen werden die Elektronen angeregt und springen ins freie Leiterband. Dabei rutschen sie von dem energetisch höheren Bereich der Raumladungszone in den energetisch niedrigeren Bereich des Leitungsbandes der n-Schicht und werden dort von den Metallkontakten abgegriffen. Die Löcher wandern aus dem energetisch niedrigeren Bereich der Raumladungszone in den energetisch höheren Bereich der p-Schicht (Abb. 8) 

Abb. 8: Banddiagramm einer pn-Solarzelle mit offenen Klemmen, mit und ohne Beleuchtung, (Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum Materialwissenschaft I) 

Quellen: 

Der Text beruht primär auf den folgenden Quellen: 

(Lewerenz, Jungblut, S. 12, Kapitel 2.2.1, 2.1.2 Gottstein, S. 447) Skript 1. Semester Leitfähigkeit (27.8.26) 

https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/p-n-uebergang-halbleiterdiode (27.8.26)

Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern Praktikum Materialwissenschaft I Fachgebiet Oberflächenforschung (27.8.26) 

https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/silizium-solarzellen (27.8.26)

Bildnachweise: 

Abb.1: (Lewerenz, Jungblut, S. 12, Kapitel 2.2.1, 2.1.2 Gottstein, S. 447) Skript 1. Semester Leitfähigkeit (27.8.26)  

Abb.2: Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum der Materialwissenschaft I, Wintersemester 2014/15, Fachgebiet Oberflächenforschung, TU Darmstadt, S. 7.    

Abb.3: ((Lewerenz, Jungblut, S. 12, Kapitel 2.2.1, 2.1.2 Gottstein, S. 447) Skript 1. Semester Leitfähigkeit (27.8.26) 

Abb.4: https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/2018/12/image/vereinfachung_n-halbleiter.svg 

Abb.5: https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/2018/12/image/vereinfachung_p-halbleiter.svg 

Abb.6: Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum Materialwissenschaft I 

Abb.7: https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/silizium-solarzellen https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/2019/08/image/grundwissen_elektronik_halbleiterdiode_silizium_solarzellen_prinzipieller_aufbau_0.svg 

Abb.8: Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen & Halbleitern, Praktikum Materialwissenschaft I 

Przemyslaw Spangenberg, Svenja Voit

Dr. Holger Röhm forscht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unter anderem an organischen Solarzellen und Perowskit Solarzellen – also zwei Arten von Dünnschicht-Solarzellen. Wir haben uns im Vorfeld dazu informiert und ein Experteninterview mit ihm geführt. Im Folgenden sind die Inhalte des Gesprächs aufgeführt, in dem organische Zellen und Perowskit-Zellen mit den Siliziumzellen verglichen werden.

Interview

Perowskit-zellen funktionieren ähnlich wie Siliziumzellen: Durch den photovoltaischen Effekt werden Elektronen angelegt und durch eine Raumladungszone abtransportiert und durch einen Widerstand geleitet.

Besonders dabei: die Zellen sind etwa 100-mal dünner und damit leichter, was Vorteile bei der Montage mit sich bringt. Trotz kurzer Entwicklungszeit erreichen sie erstaunlich hohe Wirkungsgrade von bis zu 35%. Außerdem können die Perowskit-Materialien manipuliert werden, dass sie nur bestimmte Lichtstrahlen absorbieren. Somit werden Multi-Junction-Systeme bzw. Tandemzellen möglich, bei denen Perowskitzellen über Siliziumzellen montiert sind. Auf diese Weise könnten theoretisch Wirkungsgrade bis zu über 80% erzielt werden, so weit ist die Forschung aber noch nicht.
Nachteile der Perowskitzellen ist primär die bisher noch schlechte Haltbarkeit und manche Inhaltsstoffe wie das Schwermetall Blei. Durch eine weit ausgebaute und kosteneffiziente Siliziumzellenproduktion v.a. in China ist die Perowskit-zelle auch noch weit davon entfernt, konkurrenzfähig zu werden. Allerdings gibt es bereits heute Anwendungen in der Forschung oder auf für Siliziumzellen ungeeignete Flächen, in denen Perwoskit-zellen zum Einsatz kommen.

Organische Solarzellen bestehen aus organischem Material (v.a. Kohlenstoff-moleküle) und werden auf andere Weise dotiert als Perowskit-Zellen. Statt sie durch Metalle zu “verunreinigen”, werden sie mit bestimmten Kunststoffketten angereichert, die die Elektronen zu den Polen leiten.

Organische Zellen haben den Vorteil, dass sie aus umweltfreundlicheren Materialien bestehen und der Materialverbrauch insgesamt eher niedritg ist. Außerdem sind sie flexibel und noch lichtdurchlässiger als Perowskitzellen, was eine Anwendung auf Glasdächern auf Gewächshäusern denkbar macht.
Allerdings erreichen organische Zellen bisher nur geringere Wirkungsgrade von bis zu 21%. Außerdem ist die Herstellung im Vergleich zu Siliziumzellen noch nicht konkurrenzfähig und sind ebenfalls nicht so langlebig wie Siliziumzellen.

Siliziumzellen überzeugen also vor allem durch ihre Langlebigkeit, die vergleichsweise hohen Wirkungsgrade und die günstige Produktion. Trotzdem sieht Röhm die Möglichkeit, dass Perowskitzellen in Zukunft eine gute Alternative zu Siliziumzellen sein könnten und dass organische Zellen in bestimmten Anwendungsbereichen Verwendung finden.

Aus historischen Gründen forscht das Fraunhofer ISE in erster Linie zur PEM-Elektrolyse: Eine feste, protonendurchlässige Membran trennt die Anode von der Kathode. Vorteile der im sauren Milieu stattfindenden Elektrolyse der Elemente von Wasser sind ihre kompakte und robuste Bauform sowie die hohe Leistungsdichte. Aufgrund der hohen Kosten konnte sie sich aber noch nicht nachhaltig auf dem Markt etablieren. Auch die AEM-Elektrolyse befindet sich unter Smolinkas Leitung in den Startlöchern der Forschung: Sie weist ähnliche Eigenschaften auf wie die PEM-Elektrolyse und benutzt günstigere, weniger korrosive Materialien in einem basischen Milieu, um Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen.

Um den Wasserstofftransport in größerem Maßstab zu stemmen, sei ein breiter Ausbau der Infrastruktur notwendig. Hierbei spielt es laut Smolinka vor allem eine essenzielle Rolle, wie der Energieträger in der Gesellschaft, Politik und Wirtschaft wahrgenommen wird. Es bestehe auf nationaler und auf europäischer Ebene die gesellschaftliche Einigkeit, dass Wasserstoff für die Energiewende notwendig wäre. Allerdings sei auch klar, dass noch viel Entwicklung stattfinden wird. Mangelnde Planungssicherheit für Unternehmen führe ihm zufolge zu einem bisher verhaltenen Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur. Nichtsdestotrotz ist er davon überzeugt, dass langfristig kein Weg an Wasserstoff als grünen, stofflichen und wirtschaftlichen Energieträger vorbeiführen wird – auch wenn es nicht als einzige Technologie auf dem Markt existieren werde. Da Unternehmen bis dato zurückhaltend investieren, wird die Forschung zu bis zu 50 % von der Politik subventioniert.

Zu Ende des Interviews fokussierte sich das Gespräch noch auf das OffsH2ore-Projekt des Fraunhofer ISE, welches 2022 unter der Leitung von Herrn Smolinka durchgeführt wurde. Die Grundidee sei es, mithilfe des durch Offshore-Windrädern erzeugten Stroms direkt auf dem Meer Wasserstoff zu erzeugen. Hier soll die PEM-Elektrolyse eine Rolle spielen. Das Problem seien allerdings die sehr hohen Wartungskosten einer Reparatur einer Anlage auf dem Wasser und der hohe eigene Investitionsaufwand im Generellen bei Wasserstoffprojekten, der trotz staatlicher Zuschüsse weiter für Unternehmen besteht. Auch wenn die Umsetzung schon theoretisch möglich ist, ist die Forschung zur Kostenminimierung von Wasserstoff aus Offshore-Projekten noch nicht abgeschlossen.

Tom Smolinka bot dem Interviewteam des Kurses 1.2 einen sehr interessanten und zukunftsorientierten Blick in seine Forschung sowie Projekte. Vielen Dank!