Tobias Roesener studierte an der Universität Karlsruhe (TH) Physik und schloss sein Studium erfolgreich im September 2007 ab. Ein Aufenthalt von zwei Semestern an der University of Toronto in Kanada (2004/05) – gefördert mit einem Stipendium des Landes Baden-Württemberg – rundete sein Studium ab. In Kanada sammelte er in einem Undergraduate Research Project mit dem Titel „Preparations for a Two-Color Pump-Probe Experiment“ experimentelle Erfahrungen im Aufbau optischer Experimente.
Im Rahmen seiner Diplomarbeit auf dem Gebiet der Nanophotonik befasste sich Tobias Roesener in der Arbeitsgruppe von Prof. Martin Wegener an der Universität Karlsruhe mit dreidimensionalen Photonischen Kristallen. Letztere untersuchte er mit einem Nahfeldmikroskop und führte Simulationsrechnungen zu Feldverteilungen in diesen Photonischen Kristallen durch.
Neben seinem Studium arbeitete er als Tutor in theoretischer und experimenteller Physik und ist Mitglied des Akademischen Verein Hütte e.V. Während seiner Studienzeit unternahm er Individualreisen nach Cuba, Neuseeland, Thailand, Malaysia und Singapur sowie eine Sprachreise nach Quito in Ecuador. Im April 2008 hat er mit seiner Promotion am Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (ISE) begonnen und beschäftigt sich mit hocheffizienten III-V-Mehrfachsolarzellen auf Silicium.
„Hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen auf Silicium“
Zentrales Ziel des Promotionsvorhabens ist es die fortschrittliche und erfolgreiche Technologie der hocheffizienten III-V-Mehrfachsolarzellen auf Germanium(Ge)-Substraten auf das Substratmaterial Silicium (Si) zu überführen. Hierdurch lassen sich erhebliche Kostensenkungen für die photovoltaische Stromerzeugung, insbesondere in photovoltaischen Konzentratorsystemen, erwarten.
Hintergrund der Forschungsanstrengungen ist eine notwendige Reduzierung der Kosten für die Herstellung von Solarzellen in der Photovoltaik zur Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenlicht. In allen Energieszenarien der Zukunft, insbesondere bei der Reduzierung des klimaschädlichen CO2 bei der Energieerzeugung, spielt die Solarenergie als ein Vertreter der erneuerbaren Energien eine bedeutende Rolle.
Materialersparnis und Wirkungsgraderhöhung sind erforderliche Ansätze die flächenproportionalen Kosten zu senken. Die derzeit höchsten Wirkungsgrade – in Theorie und Praxis – erzielen Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbundhalbleitern gepaart mit Konzentratorsystemen zur Fokussierung des Sonnenlichtes. Die höchsteffizienten Mehrfachsolarzellen mit einer Materialkombination (GaIn)P/(GaIn)As/Ge erreichen Wirkungsgrade bis zu 40.8%. Diese Solarzellentechnologie wird heute noch vorrangig für Weltraumanwendungen genutzt und bekommt zunehmend Relevanz in der terrestrischen Anwendung in Solarkraftwerken. Langfristig wird es für die Weiterentwicklung und Wirtschaftlichkeit der III-V-Mehrfachsolarzellen von entscheidender Bedeutung sein die Kosten weiter zu senken. Ein wesentlicher Anteil der Kosten bei den III-V-Solarzellen entfällt auf das
Ge-Substrat, welches etwa zehnmal so teuer ist wie ein einkristalliner Si-Wafer hoher Qualität. Neben dem reinen Kostenargument bietet Si im Vergleich zu Ge eine höhere Bruchfestigkeit, eine bessere thermische Leitfähigkeit, ein geringeres Gewicht und eine nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit. Des Weiteren lässt sich Si mit einer Bandlückenenergie von 1.1 eV beinahe ideal als untere Teilzelle in einer Tandemsolarzelle nutzen.
Die Herausforderungen bei der Umsetzung des Vorhabens sind ein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 100% und in der Gitterkonstante von ca. 4% zwischen Si und Ge bzw. GaAs. Hierdurch entstehen während des Wachstumsprozesses Versetzungen und Risse, welche die Materialqualität negativ beeinflussen können.
Eine zentrale Strategie zur Realisierung von III-V-Mehrfachsolarzellen auf Si ist daher die Herstellung von SiGe-Pufferschichten, die einen Übergang von der Gitterkonstante des Si zu der des Ge schaffen. Zum Abbau von Spannungen, die beim Abkühlen nach der Epitaxie durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehen, und damit einer Herstellung von rissfreien Schichten auf Silicium, werden verschiedene neue Ansätzen verfolgt. Geeignet erscheinen die Herstellung von gezielt verspannten Pufferstrukturen auf dem Siliciumsubstrat oder die Implantierung von Wasserstoffionen unterhalb der Oberfläche des Si-Substrates zur Ausbildung einer amorphen Zwischenschicht, welche die Spannungen aufnehmen soll. Die Herstellung von Einfachsolarzellen aus GaAs und die Entwicklung von (GaIn)P/(GaIn)As-Tandemsolarzellen erfolgt schließlich auf den Si/SiGe-Strukturen. Ein eigens für die Epitaxie auf Si ausgelegter industrieller MOVPE-Reaktor für das Wachstum von SiGe-Pufferschichten geht bis Ende 2008 in Betrieb. Ein zweiter MOVPE-Reaktor, der bereits intensiv zur Herstellung von III-V-Mehrfachsolarzellen auf Ge und deren Erforschung verwendet wird, wird zum Wachstum der GaAs- und (GaIn)P/(GaIn)As Strukturen auf Si/SiGe eingesetzt. Zur Herstellung und Charakterisierung der Strukturen stehen am Fraunhofer ISE eine umfangreiche Infrastruktur und langjährige Erfahrung bereit.
Das Promotionsvorhaben wird betreut von Prof. Gerhard Willeke von der Universität Konstanz.
