Light-to-Silicon

Ziel der Nachwuchsgruppe „Light-to-Silicon“ ist es, siliziumbasierte Solarzellen weiter zu verbessern. Dabei wird zum einen auf eine Effizienzerhöhung durch Photonenmanagement für Solarzellen der dritten Generation gesetzt. Zum anderen werden aber auch Technologien zur kostenreduzierten Herstellung von Solarzellenmodulen entwickelt. Dabei konzentrierte sich die Forschung zu Beginn vor allem auf die Nutzung von up- und down-conversion Prozessen. Durch diese Prozesse  wird die Wellenlänge des einfallenden Lichts so verändert, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Zum Einsatz kamen dabei vorwiegend selten-erd-dotierte, fluoreszierende Glaskeramiken, die als Solarzellen-Deckgläser fungieren können. Auf diese Weise ist eine Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen möglich, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren.

Aktuell werden besonders Prozesse der Laserstrukturierung für die Solarzellenherstellung und –modifikation untersucht. Dabei geht es einerseits um verbesserte Lichtnutzung durch Lichtbeugung. Andererseits werden Laserablationsprozesse zur verbesserten Kontaktherstellung an Solarzellen erforscht.

Laserablation zur Kontaktherstellung

Durch gezielten Einsatz von Femtosekundenlaserpulsen kann eine SiO2-Deckschicht mittels Laserablation sauber weggesprengt werden (Abb.1). Dabei kommt es aufgrund der Kürze und hohen Intensität des Laserpulses zu einer schlagartigen Verdampfung der darunterliegenden Schicht, ohne dass eine nennenswerte thermische Schädigung der Materialumgebung eintritt. Die so freigelegten Bereiche können metallisiert werden, so dass diese Methode zur nachträglichen Kontakterzeugung bei Solarzellen genutzt werden kann.

Abb.1: Mikroskopaufnahme von kreisförmigen Solarzellenbereichen, in denen die SiO2-Deckschicht durch Laserablation weggesprengt wurde. 

Schema der Struktur im Querschnitt. Die durch thermischen Einfluß amorphisierten Materialbereiche beschränken sich auf einen kleinen Ring in der unmittelbaren Nachbarschaft des Ablationsgebiets.

Laserstrukturierung von Phasengittern zur Lichtlenkung

Hochintensive Laserpulse können auch zur Strukturierung innerhalb von Gläsern eingesetzt werden, um z.B. periodisch Linien mit leicht erhöhtem Brechungsindex in das Glas „hineinzuschreiben“ (Abb.2). Die periodischen Variationen des Brechungsindex fungieren dann als Phasengitter und einfallendes Licht wird in verschiedene Beugungsordnungen abgelenkt. Dadurch ist es möglich Licht, das normalerweise auf die Bereiche der Kontaktfinger einer Solarzelle fällt und damit nicht zur Elektrizitätserzeugung genutzt werden kann, auf lichtsensitive Bereiche der Solarzelle umzuleiten. Die besondere Herausforderung besteht darin, eine Phasengitterstruktur zu entwickeln, die in einem breiten Spektralbereich einsetzbar ist und auch bei Beleuchtung unter verschiedenen Winkeln funktioniert. Dies ist wichtig, um die Funktionalität auch bei verschiedenen Sonnenständen zu sichern (Abb. 3).

Abb.2: Periodische Linien erhöhten Brechungsindexkontrasts bilden ein Phasengitter. Die Brechungsindexerhöhung des Glases basiert auf einer Verdichtung, die im Bereich ultrahoher Lichtintensitäten auftritt. 

Für die Ausbildung der langgestreckten Bereiche erhöhten Brechungsindexes sind die nichtlinear optischen Eigenschaften des Glases verantwortlich. Wird der „Schreiblaser“ ins Glas fokussiert kommt es zur Ausbildung von langgestreckten Intensitätsfilamenten. Die Glasmatrix wird in diesen Bereichen verdichtet, was zu einer lokalen Brechungsindexerhöhung  von 0,005 führt.

Abb. 3: Funktionsweise der Phasengitter unter Lichteinstrahlung. Die Phasengitter sind so konzipiert, daß eine Umlenkung des Lichtes um die Kontaktfinger auch bei verschiedenen Einfallswinkeln und für verschiedene Wellenlängen des Lichtes möglich ist.

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