Die Initiativen

SiLi-nano - Silizium und Licht: von Makro zu Nano - Halle (Saale)

Das Zentrum für Innovationskompetenz

 

Angesichts knapper werdender Energieressourcen kommt dem Werkstoff Silizium eine besondere Bedeutung zu: Er wird aus Sand hergestellt und ist so fast unbegrenzt verfügbar, er ist preisgünstig und in Verbindung mit Licht unterschiedlich anwendbar. Das Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano® zielt auf die Schnittstelle von Silizium-Photonik und Photovoltaik. Die beteiligten Partner wollen Anwendungen, in denen Silizium in Kombination mit Licht zum Einsatz kommt, wissenschaftlich erforschen und technologisch ermöglichen oder verbessern.

Die Ziele

SiLi-nano® hat sich zum Ziel gesetzt, einerseits den Wirkungsgrad von Solarzellen durch neue Beschichtungen zu erhöhen und andererseits durch neue Konzepte der Nanostrukturierung und Materialmodifikation im nanoskopischen Bereich durchstimmbare, effiziente auf Silizium basierende oder mit Silizium kompatible Mikro-Lichtquellen zu entwickeln.

Die thematischen Schwerpunkte

  • Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsforschungsgruppe "Light to Silicon" ist es, das neue Gebiet des Photonenmanagements für Solarzellen der dritten Generation zu bearbeiten und theoretisch weiterzuentwickeln. Dabei soll das einfallende Licht so verändert werden, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Diese Lichtmanipulation wird ausschließlich durch Materialien erzeugt, die die eigentliche Solarzelle im Modul umgeben. Auf diese Weise ist eine Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen möglich, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren.

    Es wird dabei zwischen Up- und Down-conversion-Prozessen unterschieden:
    • Das Down-conversion-Deckglas wandelt ein einfallendes ultraviolettes (UV) Photon in zwei oder mehrere Photonen einer Wellenlänge um, die effizienter von der Solarzelle absorbiert und in elektrische Energie 
      umgewandelt werden können.
    • In der Up-conversion-Schicht auf der Rückseite können jeweils zwei oder mehrere, vom Deckglas und der Solarzelle nicht absorbierte Photonen aus dem infraroten (IR) Spektralbereich nach sequentieller 
      Absorption zu einem sichtbaren (VIS) Photon umgewandelt werden, das daraufhin von der Solarzelle absorbiert werden kann.
    Ziel ist es, fluoreszierende Glaskeramiken durch die geeignete Wahl des Aktivators (seltene Erden) für Up- und Down-conversion-Anwendungen von Photonen anzupassen. Die Glaskeramiken sind im sichtbaren Spektralbereich optisch transparent und daher ideal geeignete Schichten für die Up- und/oder Down-conversion.
  • Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsforschungsgruppe "Silicon to Light" ist die Entwicklung von effizienten, auf Silizium basierenden oder mit Silizium kompatiblen Mikro-Lichtquellen. Effizienzbegrenzende Faktoren werden gründlich analysiert und verschiedene Konzepte der Nanostrukturierung und Materialmodifizierung im nanoskopischen Bereich kommen zum Einsatz, um eine Effizienzerhöhung zu erreichen.
Letztendlich soll versucht werden, einen elektrisch gepumpten, auf Silizium basierenden Laser mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge zu realisieren. Eine derartige Lichtquelle hat das Potenzial, die auf Silizium basierenden elektronischen Chips zu revolutionieren, indem schnelle Lichtpulse anstelle der konventionellen langsameren Spannungspulse zur Kommunikation zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips verwendet werden. Dies würde eine neue Generation ultraschneller Computerprozessoren erlauben.

Es werden mehrere Ansätze für die effiziente Lichtemission und nichtlineare optische Frequenzumwandlung in siliziumbasierten Materialien verfolgt:

  • Zum einen soll auf Si/Ge-Vielfachschichtsysteme und Seltenen-Erden-Ionen, die in nanokristallhaltigen Matrizen eingebettet sind, als siliziumkompatible emittierende Systeme zurückgegriffen werden. Eine Erhöhung der Lumineszenzeffizienz soll dabei durch die Verwendung einer mikro- und nanophotonischen Strukturierung, z.B. in Form von Mikrokavitäten in photonischen Kristallen erreicht werden. Um nichtlineare optische Effekte in Silizium zu verstärken, wird der Einfluss von gezielt eingebrachten Verzerrungen des Kristallgitters oder einer Porosität des Siliziums studiert.
  • Zum anderen wird versucht, die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Polymeren mit den exzellenten Wellenleitereigenschaften von Silizium im infraroten Spektralbereich zu einer Wellenleiter-Hybridarchitektur zu kombinieren.
     

Die Partner

  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Physik, Fachgruppe Optik
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
  • Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP)
  • Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle
  • Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf
  • University of Tennessee in Tullahoma (USA)
  • Argonne National Laboratory in Chicago (Illinois, USA)
  • Industrial Research Limited in Wellington (Neuseeland)
  • National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics in Bukarest (Rumänien)
  • Centre of Nanostructured Media, Queens University of Belfast (Irland)


Kontakt

Leitung:
Nachwuchsforschungsgruppe "Light-to-Silicon"
PD Dr. Stefan Schweizer
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)

Nachwuchsforschungsgruppe "Silicon-to-Light"
Dr. Jörg Schilling
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)

Kontakt:
Dr. Kerstin Mitzschke
Wissenschaftliche Koordination
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)
Tel.: 0345 55-28650
Fax: 0345 55-27411
E-Mail: info[at]sili-nano.de
http://www.sili-nano.de

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