Opalfilme als selektive optische Filter- und Reflektionsschichten; Nanosun
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Anwendung photonischer Kristalle aus Polymerkolloiden als Selektivreflektoren in Solarzellen setzte eine hohe Reflektivität derselben in definierten Wellenlängenbereichen voraus. Um die Reflektionswellenlänge der Opale auf den gewünschten Wellenlängenbereich einzustellen, mussten Polymerkolloide unter präziser Kontrolle der Kollidgröße erzeugt werden. Dies gelang durch die Regulierung der Prozessparameter der emulgatorfreien Emulsionspolymerisation (SFEP) sowie durch die Verwendung von Fütterungspolymerisationen. Hiermit konnten monodisperse Kolloide im Größenbereich von etwa 150 bis etwa 700 nm hergestellt werden, deren Opalfilme Reflektionswellenlängen von 300 bis 1500 nm abdecken. Die Größe der Kolloide wurde dabei durch die Menge des zugegebenen Monomers eingestellt. Um aus diesen Kolloiden hochwertige Opalfilme herzustellen, wurde überwiegend die Methode der vertikalen Kristallisation genutzt. Damit konnten mehrere Quadratzentimeter große Opalfilme mit homogenen Schichtdicken aus Kolloiden unterschiedlicher Größe auf Glas präpariert werden. Die Schichtdicke dieser Opalfilme ließ sich durch die Kontrolle der Kristallisationsparameter einstellen. In bestimmten Parameterbereichen wurden dabei Opalfilme mit einer hohen Kristallqualität erhalten. Diese Filme zeigten starke Reflektivitäten von über 70% und eine wohlgeordnete kubische Kristallstruktur unter dem Elektronenmikroskop. Unterhalb einer Schichtdicke von etwa 10 wiesen die Opalfilme eine hohe Transparenz und eine mit der Schichtdicke zunehmende Reflektion auf. Für die Erzeugung dünner Opalfilme auf Substratmaterialien, die in den Solarzellensystemen Verwendung finden, erwies sich die Methode aufgrund der Homogenität der Filme, der Möglichkeit der Schichtdickenkontrolle und der durch UV-Vis und SEM-Messungen bestätigte hohen Qualität als sehr geeignet. Hochwertige Opalfilme konnten dabei auch auf PMMA- und FTO-beschichteten Glasträgern erzeugt werden. Daneben wurde eine Methode entwickelt, definierte Bereiche eines Substrates über das Aufschleudern von Kolloiddispersionen mit unterschiedlich dicken Opalfilmen zu beschichten. Strukturierte Opalfilme konnten hier durch einfaches Abkleben bestimmter Substratbereiche innerhalb weniger Minuten erzeugt werden. Einige Opalfilme wurden durch Justierung der Kolloidgröße und Optimierung der Kristallisationsbedingungen für die Anwendung in einem Fluoreszenzkonzentratorsystem angepasst. Obwohl es gelang, die Reflektionswellenlänge der Opalfilme präzise auf die Emissionsbande des Farbstoffes einzustellen, konnte die erwartete Effizienzsteigerung nicht erreicht werden. Lichtverluste durch einen Angleich des Brechungsindex zwischen Fluko und dem sich direkt daran anschließenden Opalfilm können als problematische Faktoren angenommen werden. Ein möglicher Lösungsansatz wurde in dieser Arbeit durch die Herstellung freistehender Filme aus thermisch vernetzten PMMA-co-GMA Kolloiden vorgestellt, die mit Hilfe von Abstandshaltern auf einen Fluko aufgebracht werden können. Zur Integration von Opalfilmen als Selektivreflektoren in Tandemsolarzellen war neben der Einstellung der Reflektionswellenlänge die Sicherstellung der elektrischen Kontaktierung zwischen den beiden Absorberschichten nötig, d. h. der Selektivreflektor musste eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Um dieses Ziel zu erreichen wurden die Hohlräume der kubisch-dichtest gepackten Kolloide in den Polymeropalen mit Hilfe von Sol-Gel und CVD-Verfahren mit halbleitenden Materialien gefüllt und die Kolloide anschließend herausgelöst. Hierbei erwies sich der CVD-Prozess zur Erzeugung hochwertiger invertierter ZnO-Opalfilme als besonders geeignet. Der Füllgrad der Zwischenräume in den als Templat verwendeten PMMA-Opalen konnte dabei direkt mit der Verschiebung der Reflektionswellenlänge während des Einfüllprozesses korreliert werden. Hierdurch konnten nicht nur Opalreplika mit hohen Reflektivitäten erzeugt, sondern auch deren Reflektionswellenlänge präzise eingestellt werden. Die Leitfähigkeit der Strukturen wurde mit Hilfe der Leitfähigkeitsrasterkraftmikroskopie untersucht. Auf FTO-beschichteten Glasträgern präparierte ZnO-Replika zeigten dabei eine homogene elektrische Kontaktierung zum Substrat. Wege zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit durch eine Erhöhung der Calcinierungstemperatur und eine damit verbundene Vergrößerung der ZnO-Kristallitgröße oder durch Dotierung mit Aluminium wurden in diesem Zusammenhang ebenfalls aufgezeigt. In einem weiteren Schritt wurde die elektrische Leitfähigkeit der ZnO-Replika zur Erzeugung hierarchischer Strukturen ausgenutzt. Diese wurden durch Elektroabscheidung von ZnO-Nanokristallen in und auf Invertierten ZnO-Opalen realisiert. Die so erzeugten modifizierten Opalreplika sind aufgrund ihrer vergrößerten Oberfläche, der periodischen Struktur und der guten elektrischen Kontaktierung beispielsweise als Trägermaterialien für Katalysatoren oder als Sensorsysteme von Interesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electrodeposition of ZnO nanorods on opaline replica as hierarchically structured systems. J. Mater. Chem. 21, 1079 -1085 (2011)
Lorenz Steidl, Stefan Frank, Stefan A. L. Weber, Martin Panthöfer, Alexander Birkel, Dominik Koll, Rüdiger Berger, Wolfgang Tremel and Rudolf Zentel
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Three-Dimensional Photonic Crystal Intermediate Reflectors for Enhanced Light-Trapping in Tandem Solar Cells. Adv. Mater 23, 3896 -3900 (2011)
J. Lipping , A. Bielawny , R. B. Wehrspohn , T. Beckers, R. Carius , U. Rau , S. Fahr, C. Rockstuhl , F. Lederer ,M. Kroll , T. Pertsch , L. Steidl , R. Zentel
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Transparent conductive oxide photonic crystals on textured substrates. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 9, 31 -34 (2011)
J. Üpping, R. Salzer, M. Otto, T. Beckers, L. Steidl, R. Zentel, R. Carius, R.B. Wehrspohn
