Licht zu Sili­zium zu Licht

Mit Seltenerdmetallen dotierte Glaskeramiken für die up- und down-Konversion (Bild: Fh.-IWM)

Mit Seltenerdmetallen dotierte Glaskeramiken für die up- und down-Konversion (Bild: Fh.-IWM)

Den Wirkungsgrad von Solarzellen durch neue Beschichtungen erhöhen und die optische Daten­über­tragung in der Mikro­elek­tronik verbessern, das ist das Ziel des Zentrums für Inno­vations­kompetenz ZIK SiLi-nano. Zum Jahres­beginn übergibt das Zentrum die Führung der Nachwuchs­gruppe Light2Silicon an den Physiker Dominik Lausch vom Fraunhofer-Center für Silizium-Photo­voltaik CSP.

Während elektronische Schaltkreise in Mikro- und Leistungselektronik detailliert erforscht sind, besteht für die Integration von optischen Bauteilen noch Forschungs­bedarf. Insbesondere die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom und Mikro-Lichtquellen für optische Computer sind derzeit für die Wissenschaft interessant. Hier setzen die beiden Nachwuchs­gruppen Light2Silicon und Silicon2Light in Halle an. In diesen bündeln das Institut für Physik der Universität Halle-Wittenberg, das Max-Planck-Institut für Mikro­struktur­physik und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP ihre Kompetenzen in angewandter und Grundlagen­forschung an Bauelementen auf der Basis von Silizium. Dafür werden sie seit 2009 mit 6,25 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung unterstützt. „Durch die enge Verzahnung von universitären und außer­universi­tären Forschungs­­einrichtungen gelingt eine beispiellose wissenschaftliche Durch­dringung des Themas mit hohen Synergien“, sagt Ralf Wehrspohn, Mitinitiator des Zentrums und Leiter des Fraunhofer-IWM.

Solarzellen sind mittlerweile eine ausgereifte Technik mit Wirkungsgraden über zwanzig Prozent. Um die Leistung weiter zu steigern, optimiert die Gruppe Light2Silicon die Einkapselungs­materialien mit Hilfe der sogenannten up- und down-Konversion. Dabei wird das einfallende Licht so verändert, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energie­bereich verschoben wird. Die Lichtausbeute und damit der Wirkungs­grad kann dadurch gesteigert werden, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren. Im Projekt werden optisch aktive Glas­keramiken durch geeignete Wahl des Aktivators, beispielsweise Seltenerd­metalle, für diese Anwendung angepasst. Sie sind im optischen Spektral­bereich transparent und somit ideal geeignet. Neben der optischen Funktionalität der Glas­keramiken werden im Projekt auch ihre mechanischen Eigen­schaften untersucht und verbessert.

Als wichtiges Ergebnis konnte Light2Silicon die Effektivität von verschiedenen Konversions­leuchtstoffen für Silizium-Solarzellen evaluieren. Bei der up-Konversion legten die Wissenschaftler das Haupt­augen­merk auf Neodym in Zirkon­­fluorid­­gläsern und darauf basierende Glaskeramiken. „Die Gruppe konnte so Neodym als bestes Material für die up-Konversion des in der Solarzelle nicht genutzten Anteils der Infrarot­strahlung identifizieren, während in der Literatur bisher meist Erbium für diesen Zweck favorisiert wurde“, fasst Lausch die Forschungs­­ergebnisse zusammen. „Die Erkenntnisse sind nicht nur wissen­schaftlich wertvoll, sondern auch für weitere Anwendungen wie beispielsweise in der medizinischen Bildgebung bei Konversion von Röntgenlicht interessant“, so Lausch weiter. Der Teamleiter am Fraunhofer CSP in der Gruppe Silizium­wafer hat seit 1. Januar 2015 die Leitung über die Gruppe übernommen. (Quelle: Fh.-IWM / optik-photonik.de)

Links: Fraunhofer-Institut für Silizium-Photovoltaik CSPZentrum für Innovationskompetenz ZIK SiLi-nanoNachwuchsgruppe Light-to-Silicon, SiLi-nanoNachwuchsgruppe Silicon-to-Light, SiLi-nano

 

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