Forschungsthemen

Interne Absorptionsverstärkung durch plasmonische und photonische Lichtstreuung

Eine Reduzierung der Chalkopyrit-Absorberschichtdicke auf 200 nm bedeutet eine Materialreduzierung um 90% verglichen mit Standardwerten. Um gleichzeitig die in elektrische Energie verwandelbare Absorption in der ultra-dünnen Schicht zu erhalten oder zu steigern, werden metallische Nanoteilchen in die Solarzellenstruktur eingebracht. Sie zeichnen sich durch eine Nahfelderhöhung, die Koppelung in Wellenleitermoden und insbesondere durch ein spezielles Streuverhalten aus: das Licht wird bevorzugt in das Material mit dem höheren Brechungsindex und zudem in sogenannte „verbotene Moden“ gestreut, was zu einem Lichteinfang in der Schicht führt. Um diesen Effekt effizient zu gestalten müssen Parameter wie die Größe, die Form, das Material und die Umgebung der Nanoteilchen exakt eingestellt und erfoscht werden. Hierzu führen wir in Kooperation mit dem Zuse-Institut Berlin detaillierte dreidimensionale Rechnung mit der Finite- Elemente-Methode (FEM) durch. Weiterhin erfolgen hochaufgelöste optische Messungen der Nanostrukturen mittels Rasternahfeld-Mikroskopie (SNOM) zusammen mit der FU Berlin, um das Wissen über Nanoteilchen im Solarzellensystemen zu erweitern.

Struktur einer Chalkopyrit-Solarzelle mit integrierten plasmonischen Nanoteilchen (links) und
das spezielle Streuverhalten eines Nanoteilchens (angenommen als Dipol) an einer rückseitigen
Grenzfläche (rechts).



Externe Absorptionsverstärkung durch Konzentratorsysteme auf der Mikrometer-Skala

Der Materialverbrauch lässt sich auch durch rasterförmige Aussparungen in der Absorberschicht reduzieren. Das Sonnenlicht muss dann auf diese mikrometer-großen Solarzellen gebündelt werden. Dies geschieht durch Konzentratoroptiken, die über den Solarzellen angebracht werden. Eine signifikante Effizienzsteigerung ist durch eine optimierte Wahl von Solarzellengröße und Konzentrationsfaktor, sowie einer ausgefeilten elektrischen Verschaltung zu erwarten.