Planares schwarzes Silizium: Entflechtung der optischen und elektrischen Eigenschaften texturierter Oberflächen mithilfe Transformationsoptik

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Rockstuhl; Professor Dr. Ralf B. Wehrspohn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413644979

Nanotexturierung des Absorbermaterials von Solarzellen führt zu verstärkter und spektral breiter Absorptionserhöhung von Sonnenlicht. Jedoch verschlechtern sich mit der Nanotexturierung die elektronischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements. Dies verhindert die vollständige Ausnutzung der Absorptionserhöhung, so dass sich diese nicht in einer vergleichbaren Effizienzerhöhung niederschlagen kann. Es existieren externe Lichtmanagementstrukturen, die das Absorbermaterial unbeschädigt lassen. Jedoch sind die erreichten Absorptionsverstärkungen dieser Strukturen substanziell schwächer als jene, die sich durch Grenzflächenstrukturierung erreichen lassen.Um dieses Problem zu lösen, wollen wir Ansätze der Transformationsoptik anwenden, um photonische Strukturen zu finden, die die planare Grenzfläche des Absorbermaterials und damit ihre elektronischen Eigenschaften unbeschädigt lassen, jedoch die optischen Eigenschaften von optimierten Oberflächentexturierungen aufweisen. Im Rahmen der Transformationsoptik lassen sich aufgrund der Invarianz der Maxwell-Gleichungen Materialverteilungen finden, die Licht in exakt gleicher Weise umlenken wie eine beliebige als Templat dienende Oberflächentextur, z.B. konventionelles schwarzes Silizium. Mit diesem Ansatz können wir eine inhomogene planare Schicht ableiten, die auf einem Absorbermaterial aufgebracht zu Antireflexion sowie Lichteinfang und damit Absorptionserhöhung führt, die derjenigen der Templat-Oberflächentextur entspricht, ohne jedoch elektronische Degradation aufzuweisen. Experimentell werden wir die Realization der dielektrischen Lichtmanagementstrukturen und die Integration dieser in Solarzellen in Angriff nehmen. Als Bausteine werden hochbrechende dielektrische Nanostrukturen und dünne Schichten aus unterschiedlichen Materialien dienen, die mit fortgeschrittenen Atomlagenabscheidungsmethoden konformal aufgebracht werden. Unser vorgestellter Ansatz, photonische Strukturen mithilfe der Transformationsoptik zu designen, ist, nach unserem Wissen, Pionierarbeit. Es handelt sich um einen Ansatz abseits von zur Zeit üblichen Fragestellungen in der Transformationsoptik und wird Wege zu neuartigen Anwendungen in unterschiedlichen optischen Bauelementen öffnen. Offensichtlich werden Anwendungen in der Photovoltaik direkt von den Ergebnissen dieses Projekts profitieren. Der Ansatz kann jedoch auch bei der Entwicklung von neuartigen Konzepten in anderen Bereichen verwendet werden, beispielsweise um alternative Auskopplungsstrukturen in LEDs zu finden, was das inverse Problem zu dem darstellt, das in diesem Projekt untersucht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen