Optische Nanoantennen für das Photonmanagement in photovoltaischen Solarzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Gero von Plessen
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 135781706

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von Nanoantennen für das Photonmanagement in photovoltaischen Solarzellen. Diese Nanoantennen bestehen aus dielektrischen bzw. metallischen Nanopartikeln und sollen dazu eingesetzt werden, die Effizienz von Fluoreszenzkonzentrator- und Frequenzdownkonverterschichten zu verbessern. Solche Schichten haben die Aufgabe, Sonnenlicht zu konzentrieren bzw. in Wellenlängenbereiche umzuwandeln, die für die photovoltaische Konversion günstiger sind. Ihre Effizienz wird häufig dadurch beeinträchtigt, dass die strahlenden Ausbeuten der in ihnen enthaltenen emittierenden Spezies – z. B. organische Fluorophore, Halbleiterquantenpunkte oderseltene-Erd-Ionen – durch nichtstrahlende Relaxationsvorgänge, insbesondere Elektron- Phonon-Wechselwirkung oder Konzentrationsquenchen, stark reduziert werden. Ein Ziel der geplanten Arbeiten ist es, zu einer Lösung dieses Problems beizutragen, indem die Quanteneffizienz der emittierenden Spezies gesteigert wird. Mittels Experimenten und Modellrechnungen soll versucht werden, die Emitter über das optische Nahfeld mit Nanopartikeln aus hochbrechenden Dielektrika oder Edelmetallen so zu koppeln, dass ihre Abstrahlrate stark erhöht und hierdurch die Wirkung der nichtstrahlenden Relaxation reduziert wird. Derartige optischen Antenneneffekte wurden in zahlreichen Untersuchungen, insbesondere an einzelnen Farbstoffmolekülen in Wechselwirkung mit Metallnanopartikeln und dielektrischen Nanospitzen, nachgewiesen. Hier soll insbesondere erstmals die Frage untersucht werden, ob Nanopartikel aus hochbrechenden Dielektrika – wie TiOx oder ZrOx – in einem für Anwendungen ausreichenden Maße als Nanoantennen wirken und aufgrund ihrer fehlenden optischen Absorption möglicherweise sogar Vorteile gegenüber Edelmetallteilchen aufweisen.Ein weiteres Ziel der geplanten Arbeiten ist es, die Emission mittels geeigneter Geometrie und Anordnung der Nanoantennen relativ zu den Emittern so räumlich auszurichten, dass sie entweder bevorzugt in der Schicht oder senkrecht dazu abstrahlen. Die erste Art der Ausrichtung könnte helfen, Verluste bei der Lichtführung im Fluoreszenzkonzentrator zu minimieren, die zweite bei der Lichtausbreitung von einer Frequenzdownkonverterschicht hin zur photovoltaischen Schicht. Gleichzeitig ist so weit wie möglich zu verhindern, dass das emittierte Fluoreszenzlicht durch Streuung bzw. Beugung an Nanopartikeln in unerwünschte Richtungen abgelenkt wird.Ein weiteres Ziel ist es, mittels der Nanoantennen die Einkopplung des anregenden Lichtes in die Emitter verbessern. Es soll auf diese Weise die Anregungsrate der Emitter gesteigert werden. So ließen sich beispielsweise die sehr niedrigen Absorptionsquerschnitte seltener- Erd-Ionen steigern und die nötigen Wechselwirkungslängen des Lichtes mit der emittierenden Schicht stark verkürzen bzw. die räumliche Dichte der Emitter reduzieren. Auch in diesem Zusammenhang ist die Frage interessant, ob Nanopartikel aus hochbrechenden Dielektrika aufgrund ihrer fehlenden optischen Absorption Vorteile gegenüber Edelmetallteilchen aufweisen. Darüber hinaus sollen die Erkenntnisse aus diesem Teil der Untersuchungen in die Arbeiten der Projektpartner zur Verbesserung der Lichteinkopplung in siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen einfließen.Die durch die Nanoantennen bewirkten Effizienzgewinne der Fluoreszenzkonzentrator- und Frequenzdownkonverterschichten sollen schließlich am realen System erprobt werden, indem die Schichten in Solarzellen integriert werden und diese in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern optisch und elektrisch charakterisiert werden. Bei einem Erfolg des Vorhabens sollte sich im Rahmen dieser Charakterisierung eine merkliche Steigerung des Konversionswirkungsgrades infolge der Verwendung von Nanoantennen nachweisen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen