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Flexible Photonik auf der Basis von Polymeren

Optische Flüstergalerie-Mikroresonatoren, Strukturen mit einigen Mikrometern Ausdehnung, in denen Licht bestimmter Wellenlänge eingeschlossen werden kann, sind vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl photonischer Bauelemente.

Durchstimmbare polymere Flüstergalerie-Resonatoren

Für viele Anwendungen von optischen Mikroresonatoren wie Filter oder Schalter ist eine Durchstimmbarkeit der Resonanzwellenlänge essentiell.

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt in unserer Arbeitsgruppe ist die Realisierung von durchstimmbaren photonischen Bauelementen durch die Ausnutzung der Flexibilität von Polymeren und Elastomeren. Erste Schlüsselexperimente wurden hierzu bereits durchgeführt.
Zur Umsetzung einer Modendurchstimmung über einen breiten Spektralbereich wurde ein neuer Flüstergalerie-Resonatortyp, der sogenannte Split-Disk Resonator entwickelt. Durch die Deformation eines flexiblen Elastomersubstrats kann der Spaltabstand zwischen den gegenüberliegenden Halbscheiben und so deren Resonanzwellenlänge variiert werden. Analog wurde die Elastomer-Plattform zur Realisierung photonischer Moleküle mit flexibel durchstimmbarer Kopplung verwendet.

In zukünftigen Experimenten liegt der Fokus auf der Herstellung und Charakterisierung größerer gekoppelter Resonatorfelder und hybrider (verstärkender/absorbierender) photonischer Moleküle.

 

Publikationen:

T. Siegle et al., "Split-disk micro-lasers: Tunable whispering gallery mode cavities", APL Photonics 2, 096103 (2017)

T. Siegle et al., "Photonic molecules with a tunable inter-cavity gap", Light Sci. Appl. 6, e16224 (2017)

 

 

Durchstimmbare Polymer-Photonik auf der Basis von Flüssigkristall-Elastomeren

Neben der Verwendung mechanisch deformierbarer Elastomersubstrate werden in unserer Forschungsgruppe auch die Eigenschaften flexibler Flüssigkristall-Elastomere zur Realisierung durchstimmbarer photonischer Bauelemente genutzt.

Flüssigkristall-Elastomere zeigen bei relativ geringer Temperaturerhöhung einen Phasenübergang aus einem Zustand einheitlicher molekularer Ausrichtung in eine isotrope Phase. Damit verknüpft ist eine vollständig reversible Änderung der Dimension der gesamten Struktur. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Anwendung in flexiblen photonischen Bauelementen.

Durch die Verwendung von Flüssigkristall-Elastomeren als Substratmaterial kann durch Temperaturänderung der Abstand zwischen verschiedenen Resonatoren präzise kontrolliert werden. Eine reversible Änderung dieses Abstands konnte in dieser Arbeitsgruppe mittels Variation der Leistung eines Heizlasers realisiert werden, welcher auf das Flüssigkristall-Elastomer Substrat fokussiert wird. In zukünftigen Experimenten sollen unter Verwendung eines solchen Systems Kopplungseffekte zwischen mehreren Resonatoren nachgewiesen und charakterisiert werden.

Des Weiteren konnten in dieser Arbeitsgruppe Resonatoren vollständig aus Flüssigkristall-Elastomeren gefertigt werden. Dadurch kann das temperaturabhängige Verhalten dieses Materials genutzt werden, um die Resonanzwellenlänge der Resonatoren zu kontrollieren. Eine gezielte Veränderung der Resonanzwellenlänge über mehr als einen freien Spektralbereich konnte erfolgreich gezeigt werden.

 

Hybride plasmonisch-photonische Flüstergalerie-Resonatoren

Ein weiterer Schwerpunkt in der aktuellen Forschung im Bereich optischer Flüstergalerie-Resonatoren liegt darauf, die Stärke der Wechselwirkung von Licht und Materie zu erhöhen.  Eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung geht dabei einher mit hohen Gütefaktoren und kleinen Modenvolumina.

Während dielektrische Flüstergalerie-Resonatoren sehr hohe Gütefaktoren aufweisen, sind ihre Modenvolumina verglichen mit plasmonischen Nanostrukturen verhältnismäßig groß. Ein Ansatz zur Erhöhung der Licht Materie-Wechselwirkung besteht folglich darin, die hohen Q-Faktoren dielektrischer Resonatoren mit der Fähigkeit von plasmonischen Strukturen, Licht auf Subwellenlängen-Dimensionen zu konzentrieren, zu kombinieren. Die Vorteile beider „Welten“ wurden in dieser Arbeitsgruppe erfolgreich in Form eines mit Silber beschichteten Flüstergalerie-Resonators vereint. Neben rein photonischen Moden, welche weiter im Innern des Resonators lokalisiert sind, unterstützt dieser neu-entwickelte Resonatortyp auch Oberflächenplasmonen, welche an der Grenzfläche von Dielektrikum und Metall lokalisiert sind. Von besonderem Interesse für die meisten  Anwendungen sind die ebenfalls vom Resonator unterstützten Hybridmoden, welche aus der Hybridisierung von photonischen und plasmonischen Moden hervorgehen. Diese Moden vereinen die Vorteile der hohen Q-Faktoren der photonischen Moden mit den kleinen Modenvolumina plasmonischer Moden.

 

Publikationen:

C. Klusmann et al., "Hybridizing whispering gallery mode and plasmonic resonances in a photonic metadevice for biosensing applications", J. Opt. Soc. Am. 34, D46 - D55 (2017)

C. Klusmann et al., "Identification of Dielectric, Plasmonic, and Hybrid Modes in Metal-Coated Whispering-Gallery-Mode Resonators", ACS Photonics 5, 2365–2373 (2018)

Kesterit-Solarzellen

Solarzellen mit Kesterit- (Cu2ZnSn(S,Se)4-, CZTSSe-) Absorbern sind vielversprechende Kandidaten für die Dünnschicht-Photovoltaik, da sie auf umweltfreundlichen und kostengünstigen Materialien beruhen.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsarbeiten stehen sowohl die Herstellung, als auch die Charakterisierung entsprechender Solarzellen. Für die Herstellung werden zwei weit verbreitete und vielversprechende Methoden verwendet. Zum einen wird Koverdampfung eingesetzt, die sehr definierte Herstellungsbedingungen und eine hohe Materialreinheit durch die Deposition des Materials im Vakuum ermöglicht. Andererseits werden aber auch lösungsbasierte Rakel-Verfahren genutzt, die sich durch die Einfachheit des Prozesses und einen hohen Probendurchsatz auszeichnen.
Im Zuge der aktuellen Forschung an Kesteriten untersuchen wir u.a. Modifikationen des Absorber-Materials zum Beispiel durch Einbringen von Germanium, welches zum einen Zinn substituieren, aber auch als Katalysator während des Herstellungsprozesses dienen kann. Des Weiteren haben wir ein Herstellungsverfahren entwickelt, das eine gezielte Einstellung des Schwefel-zu-Selen-Verhältnisses in CZTSSe und damit eine definierte Einstellung der Absorber-Bandlücke ermöglicht. Diese Technik eröffnet den Kesterit Solarzellen viele Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Nutzung in Tandem-Solarzellen. Zudem forschen wir an alternativen Puffer-Materialien, welche auch in der Cu(In,Ga)(S,Se)2- (CIGS-) Forschung eingesetzt werden. Bei Kesterit- wie auch CIGS-Solarzellen wird bisher meistens CdS als Puffer verwendet, das in Zukunft aber durch umweltfreundlichere Materialien mit kleineren Absorptionsverlusten ersetzt werden soll. Zur zerstörungsfreien Analyse von Puffer- und Absorberschichten kommen verschiedene neuartige Varianten der Modulationsspektroskopie auf Grundlage der Elektroreflektanz zum Einsatz, die in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurden. Weitere im Zuge der Kesteritforschung genutzte Charakterisierungsmethoden sind Photolumineszenz, Ramanspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Elektronenmikroskopie sowie Absorptions- und Kennlinienmessungen.
Schwerpunkte der spektroskopischen Untersuchungen sind kompositionelle Abhängigkeiten von materialspezifischen Eigenschaften wie z. B. dem Ordnungsgrad in der Cu-Zn-Ebene des Kesterit-Kristalls, welcher direkten Einfluss auf die Bandlücke des Materials hat. Die im Zuge dessen gewonnenen Erkenntnisse tragen maßgeblich zum Verständnis des Materials CZTSSe bei.

Unsere Forschung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart, dem Labor für Chalkogenid-Photovoltaik (LCP) der Universität Oldenburg und dem Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) am KIT,  gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts „FREE-INCA“.

 

 

Publikationen:

M. Neuwirth et al., "Band-gap tuning of Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers via defined incorporation of sulfur based on a post-sulfurization process", Sol. Energy Mater. Sol. Cells 182, 158-165 (2018)

M. Lang et al., "Impact of the degree of Cu-Zn order in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers on defect states and band tails", Appl. Phys. Lett. 113, 033901 (2018)

M. Lang et al., "Influence of the Cu Content in Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cell absorbers on order-disorder related band gap changes", Appl. Phys. Lett. 109, 142103 (2016)

M. Neuwirth et al., "Morphology of multiple-selenized Cu2ZnSn(S,Se)4 absorber layers", phys. stat. solidi (b) 14, 1600163 (2017)

C. Krämmer, "Optoelectronic Characterization of Thin-Film Solar Cells by Electroreflectance and Luminescence Spectroscopy", Dissertation, Karlsruhe Institut für Technologie (2015)

Perowskit-Solarzellen

Perowskit-basierte Dünnschichtsolarzellen sind bis heute die am schnellsten wachsende Photovoltaiktechnologie der Geschichte. Ausgehend von einer Effizienz von 3% im Jahr 2009 konnte der Wirkungsgrad bis heute auf Werte von über 20% gesteigert werden.

Der Hauptfokus unserer Forschung im Bereich der Perowskit-Solarzellen beschäftigt sich mit der Untersuchung fundamentaler optoelektronische Eigenschaften des Perowskit-Absorbermaterials mittels fortgeschrittener optischer Spektroskopie. Das Ziel besteht darin, wertvolle Erkenntnisse über die physikalischen Prozesse sowohl im Absorbermaterial als auch der gesamten Solarzelle zu gewinnen und sie mit den makroskopischen Eigenschaften und Leistungsvermögen zu korrelieren. Dafür setzen wir verschiedene spektroskopische Techniken ein, wie z.B. Absorptionsspektroskopie, (zeitaufgelöste) Photolumineszenz-Messungen (PL) und Modulationsspektroskopie.

Beispielsweise erlaubt es die Modulationsspektroskopie (und insbesondere Elektroreflektanz- (ER) und Elektroabsorptionsspektroskopie (EA)), die Bandlücke eines Halbleiters sehr genau zu bestimmten sowie die elektronische Struktur besser zu verstehen. Mittels dieser Techniken sind wir in der Lage komplette Solarzellen zerstörungsfrei zu untersuchen. Das grundsätzliche Prinzip besteht darin, den Einfluss eines modulierten externen Stimulus (z.B. eine angelegte Spannung), auf die optischen Eigenschaften (wie z.B. Transmission oder Reflektanz) zu messen.

Durch den Einsatz der genannten fortgeschrittenen Spektroskopietechniken sind wir in der Lage fundamentale Materialeigenschaften zu analysieren; so z.B. die Role exzitonischer Effekte oder temperaturabhängiger Phasenübergänge in der Kristallstruktur. Außerdem betrachten wir verschiedene Kompositionen des Perowskit-Absorbers und die Auswirkungen auf das Leistungsvermögen und die Stabilität der Perowskit-Solarzellen.

 

Publikationen:

F. Ruf et al., "Excitonic Nature of Optical Transitions in Electroabsorption Spectra of Perovskite Solar Cells", Appl. Phys. Lett. 112, 083902 (2018)

CIGS-Solarzellen

Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS)-Solarzellen gehören zu den etablierten Solarzellen der Dünnschicht-Photovoltaik und erreichen Rekord-Wirkungsgrade von 22,9%. Einer der größten Vorteile des Absorbermaterials Cu(In,Ga)(S,Se)2 ist die Möglichkeit der Beeinflussung dessen Bandlücke durch die Variation des Ga/(Ga+In)-Verhältnisses, wodurch das Sonnenspektrum besser ausgenutzt werden kann. Aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten des Absorbermaterials ist eine 2 µm dicke Schicht für die Stromerzeugung ausreichend. Dadurch ergeben sich zahlreiche neue Anwendungsgebiete für die Solarzellen. So können CIGS-Dünnschichtsolarzellen in Fassaden integriert werden und in flexiblen, leichten Solarmodulen für Outdoor-Aktivitäten verwendet werden.

Unsere Forschungsgruppe arbeitet in enger Kooperation mit Projektpartnern aus der Industrie und weiteren Forschungsinstituten an der Optimierung der einzelnen Schichten, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Hierfür liegt unser Fokus zum einen auf der Untersuchung des Einflusses verschiedener Zusammensetzungen des Absorbers und zum anderen auf der Erforschung alternativer Materialien für die Cadmiumsulfid-Pufferschicht für die Reduktion der Absorptionsverluste in dieser Schicht. Letzteres hat zusätzlich die Substitution des giftigen Cadmiums zum Ziel.

Die CIGS-Solarzellen mit unterschiedlichen Absorberkompositionen und Puffermaterialien werden mit Hilfe der Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) und der Elektroreflektanz-Spektroskopie (ER) untersucht. Der Einsatz der Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie ermöglicht es den Potentialverlauf entlang aller Schichten der Solarzelle zu messen, sowie Informationen über wichtige physikalische Eigenschaften wie z.B. die Lokalisierung und Breite der Raumladungszone sowie die Abhängigkeit des Ferminiveaus vom Galliumgehalt zu erhalten. Die Elektroreflektanz-Spektroskopie ist eine Methode der Modulationsspektroskopie und wird für die zerstörungsfreie Bestimmung der Bandlücken der Absorber- und Pufferschichten und der daraus resultierenden Untersuchung einer möglichen Durchmischung der beiden Schichten an deren Grenzfläche angewandt.