Ultradünne breitbandige solare Absorber für den UV- und UV-NIR-Bereich basierend auf einem skalierbaren plasmonischen Metamaterial

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Tayebeh Ameri, Ph.D.; Professor Dr. Carsten Rockstuhl; Dr.-Ing. Alexander Vahl
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413974664

Wir entwickeln in diesem Projekt plasmonische perfekte Absorber für thermische Solarkollektoren – einer zentralen Technologie zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Für die breitbandige Absorption von Sonnenlicht vom UV (ca. 200 nm) bis NIR (ca. 2 µm) Bereich verwenden wir ein ultradünnes (typisch 20 nm) plasmonisches Metamaterial, das skalierbar herstellbar ist. Das Metamaterial besteht aus einer dicht gepackten Sammlung metallischer Nanopartikel mit einer breiten Größenverteilung in einer dielektrischen Matrix, welche auf einem reflektierenden metallischen Substrat und einer dielektrischen Zwischenschicht deponiert werden. In der nächsten Projektphase möchten wir unsere erfolgreiche Zusammenarbeit durch eine enge Verzahnung experimenteller und theoretischer Arbeiten vertiefen und den Fokus auf die Verbesserung der breitbandigen Absorption und des thermischen Managements plasmonischer perfekter Absorber legen. Drei Aspekte sind besonders relevant. Erstens werden wir zur Verbesserung der breitbandigen Absorption das metallische Substrat zusätzlich durch Entnetzung strukturieren. Als eine Alternative verwenden wir atmosphärisches Plasmaspritzen, einer skalierbaren und industriellen Beschichtungstechnik zur Erzeugung mikroskaliger Rauigkeit auf dem Metallsubstrate. Die Impedanzanpassung der Strukturen erfolgt durch einen gezielt eingestellten Permittivitätsgradienten auf der Frontseite. Zweitens ist eine verbesserte Absorption im sichtbaren und nahinfraroten Bereich entscheidend für die Anwendung. Gleichzeitig muss jedoch auch die Emission im für die Betriebstemperatur relevanten Spektralbereich unterdrückt werden. Diese beiden Anforderungen sollen in der weiteren Auslegung des Systems in Einklang gebracht werden. Drittens konzentriert sich das Projekt auf anwendungsrelevante Betriebsregime der Nanokompositabsorber in solarthermische Kollektoren bei Temperaturen von 450 °C und mehr. Zur Erhöhung der Temperaturstabilität sollen Passivierungsschichten mittels Hochleistungs-Impuls-Magnetronsputtern eingebracht und refraktäre plasmonische Nanopartikel verwendet werden. Um unserer Ziele zu erreichen, verwenden wir Plasma-basierte physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren wie Magnetronsputtern und die Selbstorganisation von Nanostrukturen durch gleichzeitige Koabscheidung im Absorber-Schichtstapel. Die Modellierung der Bauelemente erfolgt mittels eines T-Matrix-basierten Streuformalismus, der strukturierte Substratoberflächen berücksichtigt und das inverse Problem löst. Der Entwicklungszyklus wird durch umfassende Material- und Bauelementcharakterisierung ergänzt, darunter spektroskopische Ellipsometrie, optische Spektroskopie im UV-vis-NIR-Bereich sowie morphologische und chemische Analysen mittels Elektronenmikroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrey Shukurov