3D-photonische Kristalle für photovoltaische Anwendungen

Abstract

In dieser Arbeit wird der Einsatz von 3D photonischen Kristallen, im speziellen von opalbasierten Kristallen, zur Steigerung der Effizienz der Energiekonversion in Solarzellen untersucht. Zuerst wird theoretisch das Konzept photonischer Kristalle als Konzentratorfolie für Solarzellen behandelt. Als besonders viel versprechend wurden hierbei invertierte Opale gewachsen in Gamma-X-Richtung identifiziert. Dazu wurde experimentell das Wachstum der Opale in dieser Kristallrichtung auf verschiedenen, teils vorstrukturierten, Substraten untersucht. Zur Abschätzung des Gesamtpotentials wurden elektrooptische Simulationen durchgeführt, die den Konzentrationseffekt bestätigen, jedoch die Gesamteffizient der Solarzelle nicht erhöhen. Als Zweites wird ein Zwischenreflektor in Tandemsolarzellen aus invertierten Opalen betrachtet. Dazu wurden die Eigenschaften der photonischen Kristalle mit numerischen (PWM, SMM, FDTD), optischen (Spektroskopie) und strukturellen (FIB, SEM) Methoden untersucht, um ihre optischen Eigenschaften an die elektrischen Eigenschaften der Tandemsolarzelle anzupassen. Experimentell zeigt sich, dass selbstorganisierte Kristallisation von künstlichen Opalen mit den texturierten Oberflächen von Dünnschichtsolarzellen vereinbar ist. Anhand dieser Grundlage wurde ein vollintegrierter Solarzellenprototyp mit einem 3D invertieren Opal Zwischenreflektor hergestellt. Die Opalschicht wurde auf einer texturierten Dünnschichtsolarzelle aus amorphem Silizium gewachsen. Auf ihr wurde direkt eine mikrokristalline Dünnschichtsolarzelle abgeschieden. Dieser weltweit erste Prototyp dieser Art zeigt eine deutliche Erhöhung der externen Quanteneffizienz der amorphen Siliziumsolarzelle gegenüber einer konventionellen Referenzzelle.