Entwicklung, Charakterisierung und Implementierung von photonischen Nanostrukturen für selektive Reflektoren und Lichtfallen in Dünnschichtsolarzellen aus Silizium

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TP1: Im diesem Teilprojekt werden neue Material- und Schichtsysteme für spektral selektive Reflektoren und Lichtfallen für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen aus Silizium entwickelt, in Solarzellen implementiert und deren Effizienz bewertet. Dazu werden optische Nanostrukturen mit geeigneten Streu- bzw. Beugungseigenschaften zusammen mit Partnern hergestellt und intensiv untersucht. Soweit möglich, werden die Herstellungsbedingungen der Solarzellen an die neuen Schichtsysteme angepasst. Mit Hilfe geeigneter Teststrukturenwerden die erzielten Effekte charakterisiert und mit den besten, derzeit verwendeten, statistisch rauhen Strukturen vergleichend bewertet. Zum Design und der Bewertung der optischen Nanostrukturen in Solarzellen werden Modellrechnungen durch Lösung der Maxwell-Gleichungen mit der Finite-Difference-Time- Domain-Methode von Kooperationspartner Uni Jena durchgeführt. Als Eingangsparameter für die Rechnungen werden Oberflächentopologien verwendet, die mit Hilfe eines optischen Nahfeldmikroskops gemessen werden. Die Ergebnisse der Modellrechnungen werden mit optischen Untersuchungen der Schichtsysteme im Nah- und Fernfeld verglichen. Dabei werden sowohl die lokalen Lichtintensitätsverteilungen als auch die Quantenausbeuten für den relevanten Spektralbereich analysiert und bewertet. Durch geeignete Variation der optischen Konstanten sowie der Geometrien in den Modellrechnungen, werden Strategien für die Verbesserung selektiven Reflektoren und Lichtfallen entwickelt.TP2: Die Ausbeute von Dünnschichtsolarzellen in der so genannten Superstrat-Konfiguration (Solarzellenträger der Sonne zugewandt) ist im Bereich der kurzwelligen Strahlung durch die Transparenz der Glassubstrate und die Sammlungseigenschaften der verwendeten Kontaktschichten eingeschränkt. Diese Einbußen, die für die a-Si:H-Zelle bis zu 3mA/cm2 betragen können, lassen sich durch Konversion von Photonen aus dem UV-Bereich in den besser nutzbaren, niederenergetischen Spektralbereich vermeiden. Hier sollen mit seltenen Erden (zunächst Tb) modifizierte Gläser hergestellt und deren Konversionseffizienz charakterisiert werden. Wesentlich für die Effizienz des Systems ist die Vermeidung der Emission der konvertierten Strahlung in den offenen Halbraum (siehe Halle) und deren Reduzierung durch energie-selektive, photonische Kristallschichten bei gleichzeitiger Vermeidung starker Reflexion der einfallenden Strahlungsleistung in diesem Spektralbereich.