Entlastung durch Silicium
Lückenhafte Strukturen in gestrecktem Silicium (Si) bieten eine einzigartige Möglichkeit, deren ungewöhnliche Eigenschaften im Photovoltaikanwendungsbereich zu nutzen. Die Bestrahlung mit leichten Ionen – dies wird dadurch erreicht, dass Silikonsubstrat mit Siliciumgermanium (SiGe)und Si-Schichten überzogen wird – führt zur Bildung von Nanopunkten und Nanolücken (nano-voids). Deren ungewöhnliche elektronische und optische Eigenschaften wurden bislang nicht im Hinblick auf Solarzellenkonfigurationen experimentell untersucht. Das von der EU geförderte Projekt „Nano-voids in strained silicon for plasmonics“ (NOVOSIP) ermöglichte eine einzigartige PV-Anlagenkonfiguration, um lückenhafte Silicium-/SiGe-gestreckte Strukturen zu untersuchen. Die Wissenschaftler versuchten Nanopunkte und Nanolücken in einer hochdotierten Emitterschicht in der Nähe des p-n-Übergangs zu platzieren, um Nahfeldeffekte auf die Sperrschicht zu verstärken. Diese Effekte sollten daraufhin die Trägermultiplizierung einleiten und die Lichtstreuung aufgrund von Fernfeldeffekten erhöhen, da dies jeweils vielversprechende Faktoren für eine Erhöhung der Absorption von Sonnenlicht sind. Die Forscher nutzten verschiedene Methoden, um die strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften der periodisch geformten gestreckten Schichten zu untersuchen. Das Ziel war es, diese Erkenntnisse zur Behandlung plasmonischer Strukturen für Si-basierte PV-Anlagen, Festkörper-Gassensoren und optoelektronische Geräte zu nutzen. Durch eine Hochtemperatur-Ionenbestrahlung der Si/SiSn/Si-Struktur erhielten die Wissenschaftler selbstorganisierende, sphärisch geformte Nanolücken und gestreckte Zinnpräzipitate. Diese Strukturen sind für den optoelektronischen Anwendungsbereich, z. B. bei Lichtemittern oder PV-Anlagen, äußerst vielversprechend. Durch Kohlenstoffionenimplantation und Wärmebehandlung beobachteten die Wissenschaftler eine Bildung von Kohlenstoffnanoflocken in der gestreckten, mehrschichtigen Si/SiGe/Si-Struktur. Die flockige kristalline Struktur ermöglicht den Kristallen die Absorption von Licht und somit ein sehr gutes Energieumwandlungsverhältnis. Das Team entwickelte und empfahl ein neues Konzept für die Selbstorganisierung metallischer Plasmonen und Nanoteilchen in den gestreckten Si/SiGe-Heterostrukturen. Die metallischen Plasmonen können vertiefend in Solarzellenstrukturen untersucht werden, um die plasmonischen Effekte zu demonstrieren. Des Weiteren wurden im Zuge des NOVOSIP-Projekts die gassensorischen Effekte im Zusammenhang mit plasmonischen Strukturen in einer Nanoverbundstoffschicht demonstriert, die auf Sn-Dioxid basiert (SnO2) und Lücken aufweist. Eine hohe Effizienzleistung unter Einhaltung geringer Kosten sind die zentralen Entwurfsherausforderungen bei der Herstellung von Solarzellen. Durch die experimentelle Untersuchung plasmonischer Strukturen in Mehrschichten mit gestrecktem Silicium ebnete das NOVOSIP-Projekt den Weg, um eine bessere Lichtabsorption in Solarzellen zu erreichen.
Schlüsselbegriffe
Silicium, Solarzellen, Nanolücken, gestrecktes Silicium, Plasmonik
