Johannes Gutmann schloss 2009 das Studium der Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg ab. Im Rahmen der Vertiefungsrichtung Systemtechnik beschäftigte er sich mit den Themen Mikroelektronik, Konstruktion von Mikrosystemen, Simulation und Optik. Seine Diplomarbeit mit dem Thema „Extraction of Nonlinear Piezoresistance Coefficients of Crystalline Silicon“ über zuvor unbekannte Materialeigenschaften von Silizium wurde von Prof. Oliver Paul betreut. Parallel studierte Johannes Gutmann Volkswirtschaftslehre bis zum Vordiplom. Neben naturwissenschaftlich / technischen Wettbewerben wie Jugend Forscht nahm er auch erfolgreich an Managementplanspielen und Businessplanwettbewerben teil. Praktische Erfahrungen sammelte Johannes Gutmann als studentische Hilfskraft am Institut für Mikrosystemtechnik, Freiburg, als Werksstudent bei Bosch Sensortec, Reutlingen, und bei einem Forschungspraktikum am Robert Bosch Research and Technology Center in Palo Alto, CA, USA.
„Theoretische und experimentelle Analyse von Systemen zum Photonenmanagement mit lumineszenten Materialien und photonischen Strukturen“:
Um den Beitrag der Photovoltaik an der Energiegewinnung zu steigern, müssen sowohl die Kosten gesenkt als auch die Einsatzmöglichkeiten erweitert werden. Eine attraktive Möglichkeit stellt die Konzentration des Sonnenlichts dar, bevor es auf die Solarzelle trifft. Damit lässt sich die benötigte Solarzellenfläche deutlich reduzieren und so Rohstoffe und Kosten sparen. Diesen Ansatz verfolgt der Fluoreszenzkonzentrator (kurz Fluko). Er hat den entscheidenden Vorteil, dass er im Gegensatz zu Linsen- und Spiegelsystemen neben direkter auch die diffuse Sonnenstrahlung nutzen kann, was die Anwendung in äquatorfernen Regionen wie Deutschland ermöglicht. Durch die neuen Gestaltungsmöglichkeiten des Flukos eröffnen sich vielfältige Einsatzgebiete, etwa in der gebäudeintegrierten Photovoltaik.
Herkömmliche Flukos bestehen aus transparenten Platten (z.B. aus Glas/Plexiglas), wie es in klassischen Solarmodulen als Deckglas verwendet wird. In diese werden Farbstoffmoleküle eingebracht, die fluoreszieren, d.h. eingestrahltes Licht absorbieren und es wieder als Licht längerer Wellenlänge innerhalb der Platte emittieren. Das emittierte Licht wird dann durch Totalreflexion an den Plattenoberflächen reflektiert und somit in der Platte gehalten. So wird es letztendlich zu den Kanten der Platten geleitet. Wenn die Stirnfläche der Platte, auf der das Sonnenlicht "eingesammelt" wird, größer ist als die Kantenflächen, erhält man einen Konzentrationseffekt: Die Kanten leuchten hell auf, an ihnen können Solarzellen angebracht werden. Die Konzentration des Lichts ist aber nicht verlustfrei: Da Totalreflexion nur unter flachen Winkeln auftritt, treten mindestens 26% des Lichts wieder aus der Platte aus. Weiter gibt es den Effekt der Reabsorption, wenn ein Teil des Lichts auf dem Weg zur Kante erneut absorbiert wird. So liegen die Wirkungsgrade solcher Systeme derzeit bei maximal 7,1%. Für die kommerzielle Anwendung sind aber noch effizientere Systeme nötig.
Das neue Konzept des "Nano-Fluko", welches in diesem Promotionsvorhaben analysiert werden soll, setzt bei den Verlustmechanismen an und will diese minimieren. So sollen die fluoreszierenden Moleküle in photonische Strukturen eingebettet werden, die eine optimierte Lichtleitung ermöglichen: Anstatt sich auf Totalreflexion zu verlassen, kann man die Tatsache ausnutzen, dass sich das emittierte Licht vom absorbierbaren Licht in seiner Wellenlänge unterscheidet. Photonische Strukturen, die nur das emittierte Licht reflektieren und den Rest ungehindert passieren lassen, können somit den Verlust durch Totalreflexion umgehen. Weiter soll durch die Einbettung die Emissionscharakteristik der fluoreszierenden Materialien modifiziert werden: Einerseits soll die Richtung der Emission in Richtung der Plattenkanten beeinflusst werden, das Licht also "auf dem direkten Weg zu den Kanten geschickt" werden. Andererseits beeinflussen photonischen Strukturen das Absorptions- und Emissionsspektrum, was Reabsorption verringern kann. Weil so insbesondere wegabhängige Verluste reduziert werden, sollten sich dadurch auch große, effiziente Flukos herstellen lassen. Im Rahmen der dreijährigen Arbeit sollen dabei zum einen die relevanten Strukturen und Prozesse im Bereich der Optik und Quantenmechanik theoretisch untersucht sowie simuliert werden. Zum anderen sollen unterschiedliche Nano-Fluko Realisierungen experimentell hergestellt und umfangreich charakterisiert werden.
