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Ein neues Konzept zur Effizienzsteigerung von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis

Zusammenarbeit

Zwischen der Universität in Metz und dem IABW e.V. besteht bereits seit einiger Zeit eine Zusammenarbeit um ein neues Konzept zur Effizienzsteigerung von Dünnschichtsolarzellen zu testen.

Den Ausgangspunkt bilden Messungen, die an der Pennsylvania State University (USA) durchgeführt wurden. Hier wurden zwei spezielle Effekte zur Ramanstreuung, i.e. die interferenzverstärkte (IERS) mit der oberflächenverstärkten (SERS) Ramanstreuung kombiniert, um das E-Feld des Lichtes an einer dünnen Metalloberfläche stark zu überhöhen. Zu dieser Feldüberhöhung wurde eine Vorrichtung getestet, die das E-Feld (Lichtfeld) lokal um zwei Größenordnungen für unterschiedliche Stoffe (e.g. Ge oder C) verstärken kann. Diese Feldüberhöhung soll für die Dünnschichtsolarzelle genutzt werden.

Bei dieser Idee wird davon ausgegangen, daß Silizium (oder ein anderer Halbleiter) einen geringen Absorptionskoeffizenten besitzt und somit dünne (100 bis 500 ) Siliziumschichten den größten Teil des Lichtes passieren lassen. Eine Vorrichtung spiegelt die Lichtanteile auf eine dünne Aluminiumoberfläche mit Silberclustern zurück. Die Feldüberhöhung erfolgt nach dem jetzigen Stand auf dreifache Art:

1. Durch eine geschickte Kombination von Interferenzschichten (dünne Aluminiumschicht, transparente
    l/4-Schicht, dicke Aluminiumschicht) kann erreicht werden, daß das elektrische Feld eine stehende
    Welle ausbildet, wobei das Maximum in der Nähe der dünnen Aluminiumschicht liegt.
2. Die dünne Aluminiumoberfläche bildet durch die natürliche Oberflächenrauheit im atomaren
    Bereich
ein Reflexionsgitter, so daß eine E-Feldkonzentration vor dem Gitter stattfindet.
3. Die dünnen Silbercluster bilden Ellipsoide, die eine E-Feldkonzentration in ihrer Umgebung
    bewirken (Antennen-Effekt).

Die einzelnen Verstärkungsmechanismen wurden an unterschiedlichen Stoffen mehrfach getestet. Im vergangenen Jahr konnten wir zeigen, daß diese Verstärkungsmechanismen auch auf Si-Schichten übertragbar sind, die eine Dicke zwischen 100 bis 500 besitzen. Somit erreichen wir Schichtdicken, aus denen heute amorphe Si-Solarzellen herstellt werden.

Konzept zur Dünnschicht-Solarzelle

Die Verstärkung des E-Feldes in der Ramanstreuung aus der Kombination der SERS+IERS wird genutzt, um neue Solarzellen zu konstruieren. Das Licht wird besonders in dünnen Siliziumschichten kaum absorbiert, so daß der größte Teil des E-Feldes durch ein Schichtensystem aus pin-Übergang, Silber-, Aluminium- und SiO2-Schicht bis zur reflektierenden Aluminiumschicht gelangen kann. In Abhängigkeit von der SiO2-Schicht wird das E-Feld zurückgespiegelt und kann an der dünnen Aluminiumschicht ein Maximum besitzen. Auf der Aluminiumoberfläche wird das E-Feld zusätzlich durch die Silbercluster und die Rauhigkeit der Aluminiumfläche verstärkt. Somit wird der geringe Absorptionskoeffizient des Halbleiters durch ein überhöhtes und zurückgespiegeltes E-Feld überkompensiert. Das entstandene E-Feld wird zum Solareffekt in der Halbleiterschicht genutzt.

Eine Ausführungsart wird in der Zeichnung (siehe unten) dargestellt. Die Schichtdicke der pin-Schicht beträgt insgesamt ~500 . Die Halbleiterschicht kann auch dicker gewählt werden, allerdings nur in Vielfachen von ~l/2 bezogen auf die eingestrahlte Wellenlänge und den Brechungsindizes der dotierten Halbleiterschicht. Der pin-Übergang muß aber in der Nähe der Aluminiumschicht liegen. Die Zeichnung (siehe unten) ist nicht maßstabsgetreu.

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