Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens:

„Quantenstrukturen aus Silizium für die Photovoltaik”

Innerhalb der erneuerbaren Energien nimmt die Photovoltaik eine Schlüsselrolle ein. Die direkte Konversion der Sonnenstrahlung in elektrische Energie birgt entscheidende Vorteile gegenüber anderen erneuerbaren Energien. Zum einen können Wind- und Wasserkraft alleine, nachhaltig genutzt, nicht den Energiebedarf decken. Sonnenstrahlung steht jedoch praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Zum anderen sind Photovoltaikanlagen durch ihre hohe Modularität fast beliebig skalierbar und können gleichermaßen auf Einfamilienhausdächern wie auch in Großkraftwerken eingesetzt werden. Siliziumsolarzellen kommt mit einem Marktanteil von 87% eine eindeutige Vorreiterrolle zu. Silizium ist ungiftig, in praktisch unbegrenzten Mengen auf der Erdoberfläche vorhanden und durch seine breite Verwendung in der Chipindustrie technologisch weit ausgereift. Das rasante Wachstum der Zellproduktion hat in den letzten Jahren jedoch zu Versorgungsengpässen von für die Photovoltaik geeignetem Siliziummaterial geführt. Dies motiviert optimierte Prozesstechnologien sowie Alternativen zur vorherrschenden Silizium-Wafertechnologie wie etwa Dünnschicht-Technologien. Letztlich werden dabei jedoch nach wie vor die gleichen Zellkonzepte eingesetzt, deren fundamentaler Wirkungsgradgrenzwert unverändert durch die Ladungsträgertrennung mit EINEM p/n-Übergang beschränkt ist. Ein langfristig geringerer Materialeinsatz und damit niedrigere Kosten pro Kilowatt installierter Leistung ist daher nur mit höheren Wirkungsgraden durch neue Solarzellenkonzepte erreichbar.

Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Wirkungsgradsteigerung von kristallinen Siliziumsolarzellen durch den Einsatz von nanostrukturierten, siliziumbasierten Kompositmaterialien in neuartigen Zellkonzepten. Über die Kontrolle der Größe von Nanokristallen (‚Quantenpunkten’) lässt sich aufgrund der Quantisierung der Energiezustände ein Kompositmaterial mit einstellbarer Energiebandlücke herstellen. Somit sind Absorberschichten speziell für einen bestimmten Spektralbereich der Sonnenstrahlung optimierbar und dienen als Bausteine für Silizium-basierte Mehrfachsolarzellen. Zudem ist der Elektronenimpuls in Silizium-Quantenpunkten unbestimmt, was zu einer größeren Rate strahlender Übergänge als im ausgedehnten Halbleiter führt. Dies ist gleichbedeutend mit einer größeren Absorption und damit sehr vorteilhaft für die Absorberschicht einer Solarzelle. Quantenpunkte aus Silizium in siliziumbasierten Einbettungsmatrizen eröffnen somit die Möglichkeit, energieselektive Absorberschichten aus Silizium mit hoher Absorption zu bauen und ermöglichen es, Tandemsolarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium zu fertigen. Im Rahmen dieses Promotionsprojektes wird ausgehend von der Charakterisierung siliziumbasierter Quantenstrukturen eine umfassende Materialoptimierung stattfinden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf den bislang wenig untersuchten elektrischen Eigenschaften von Silizium-Quantenstrukturen im Vordergrund. Die genaue physikalische Analyse der Quantenstrukturen wird einhergehen mit der Herstellung und Optimierung der Prototypen von Quantenpunksolarzellen.