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

Das Zentrum für Innovationskompetenz

 

SiLi-nano® steht für "Silizium und Licht: von makro zu nano". Angesichts knapper werdender Energie-Ressourcen kommt dem Werkstoff Silizium eine besondere Bedeutung zu: Er wird aus Sand hergestellt und ist so fast unbegrenzt verfügbar, ist preisgünstig und in Verbindung mit Licht unterschiedlich anwendbar.

Die Ziele

Im Rahmen der aktuellen Förderphase wird sich das ZIK SiLi-nano künftig mit der Materialforschung für die Energiewende beschäftigen. Hierzu fokussiert sich die Initiative strategisch nun auch auf photoinduzierte chemische Grenzflächenreaktion und damit auf die chemische Kompetenz für die Speicherung von Energie. Dabei steht die Entwicklung von neuen funktionalen Hybridwerkstoffen wie Photo-Ferroelektrika für Hochspannungs-Solarzellen (Nachwuchsgruppe Light for High Voltage Photovoltaics) und nanostrukturierte oxidische Perowskite für die Wasserstofferzeugung (Light for Hydrogen) auf Silizium im Vordergrund.

Die thematischen Schwerpunkte

Forschungsgruppe „Silicon to Light“ – aktive Silizium-Hybrid-Photonik

Aufgrund seines hohen Brechungsindexes und der Transparenz im nahen und mittleren IR stellt Silizium ein exzellentes Material für eine passive 2D Photonik dar. Wenn es allerdings um aktive optische Prozesse wie Lichtemission oder nichtlinear optische Frequenzkonversion geht, ergeben sich Schwierigkeiten aufgrund der indirekten Bandlücke, der Zentrosymmetrie der Kristallstruktur und der substantiellen Zwei-Photonenabsorption von Silizium. Die Arbeit der Gruppe “Silicon to Light” zielt daher darauf ab, diese Herausforderungen anzunehmen und Wege zu finden, verschiedene aktive optische Prozesse auch innerhalb der Siliziumphotonik (quasi “on-chip”) zu realisieren. Dabei werden zwei Strategien verfolgt: Zum einen wird versucht, die optischen Eigenschaften von Silizium direkt zu modifizieren (Modifikationsansatz). Zum anderen werden photonische Komponenten aus Silizium mit anderen Materialien kombiniert, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen (Hybrid-Ansatz).

Derzeit werden folgende Themen aktiv erforscht:

1. Erzeugung einer optischen Nichtlinearität zweiter Ordnung (c(2)) in Silizium durch Symmetriebrechung in der Si-Kristallstruktur aufgrund von mechanischer Verzerrung und angelegten elektrischen Feldern.

2. Effizienzsteigerung nichtlinear optischer Prozesse dritter Ordnung (z.B. Vier-Wellen-Mischen) für Wellenlängentransformation/- generation im nahen IR auf der Basis von Chalkogenidglas/Si- Hybridwellenleitern.

3. Erhöhung der Lumineszenz von on-chip Lichtquellen, die in Si eingebettet sind, mittels photonischer Kristall-Kavitäten und Mie-Resonanze

4. Nano-Fokussierung und ultra-hohe Konzentration des Lichts mit Hilfe von plasmonischen Metamaterialien für Abbildungen mit Subwellenlängen-Auflösung und oberflächenverstärkten Ramaneffekt.

Die Einführung dieser aktiven Funktionen in die integrierte Siliziumphotonik liefert einen wichtigen Beitrag für die zukünftige Integration von optischer Informationstechnologie mit der existierenden Mikro-und Nanoelektronik.

Forschungsgruppe „Light to Silicon“ - Laser-Mikrobearbeitung für die photovoltaische Materialbearbeitung

Ziel der Gruppe „Light to Silicon“ ist es, siliziumbasierte Solarzellen weiter zu verbessern. Dabei wird zum einen auf eine Effizienzerhöhung durch Photonenmanagement für Solarzellen der dritten Generation gesetzt. Zum anderen werden aber auch Technologien zur kostenreduzierten Herstellung von Solarzellenmodulen entwickelt. Dabei konzentrierte sich die Forschung zu Beginn vor allem auf die Nutzung von up- und down-conversion Prozessen. Durch diese Prozesse wird die Wellenlänge des einfallenden Lichts so verändert, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Zum Einsatz kamen dabei vorwiegend selten-erd-dotierte, fluoreszierende Glaskeramiken, die als Solarzellen-Deckgläser fungieren können. Auf diese Weise ist eine Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen möglich, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren.

Aktuell werden besonders Prozesse der Laserstrukturierung für die Solarzellenherstellung und -modifikation untersucht. Dabei geht es einerseits um verbesserte Lichtnutzung durch Lichtbeugung. Andererseits werden Laserablationsprozesse zur verbesserten Kontaktherstellung an Solarzellen erforscht.

Nachwuchsgruppe „Light for Hydrogen“ – Nanostruktur-Design für die fotokatalytische Wasserspaltung

Unser Ziel ist es, durch Verwendung von speziell designten Nanostrukturen die Licht-zu-Wasserstoff-Effizienz von fotokatalytischen Materialien zu erhöhen. Das Grundprinzip der fotokatalytischen Wasserspaltung ist sehr einfach: Der Fotokatalysator (als eine Suspension oder als immobilisierte Schicht an einer Elektrode) wird in Wasser mit Sonnenlicht bestrahlt und generiert Wasserstoffgas. Wasserstoff kann der wichtigste Energieträger der Zukunft werden, vorausgesetzt es gelingt, Wasserstoff in einer effizienten und umweltfreundlichen Weise zu erzeugen. 

Unser Ziel ist es, die Licht-zu-Wasserstoff-Effizienz mit Hilfe der folgenden Projekte zu erhöhen:

  • Design von Nanostrukturen aus metallorganischen Netzwerken (Metal Organic Framework, MOF) mittels elektrochemischer Oxidation
  • Fotokatalytische Nanostrukturen, hergestellt durch elektrochemische Abscheidung in Templaten
  • Fotokatalytsiche Nanofasern, hergestellt durch Elektrospinnen mittels Sol-Gel-Chemie
  • Untersuchung der physikalischen und chemischen Eignung von verschiedenen Typen von Nanostrukturen für die fotokatalytische Wasserspaltung
  • Kombination verschiedener fotokatalytischer Nanostrukturen und Materialien für das Design von fotokatalytischen Zellen für eine verbesserte fotoelektrochemische und autonome Wasserspaltung
  • Nanostrukturen aus metallurgischem Silizium und Effizienzerhöhung durch Co-Katalysatoren.

Nachwuchsgruppe „Light for High-Voltage Photovoltaics“

Das Hauptziel des Projekts “Light for High-Voltage Photovoltaics” ist es, den Anomalen Photovoltaischen Effekt (APV-Effekt) in ferroelektrischen/multiferroischen Materialien einer Anwendung zuzuführen. Der APV-Effekt führt zu einer offenen Klemmspannung (VOC, in Volt), die größer als die Bandlücke (in eV) des unter Beleuchtung stehenden Materials ist. Dies unterscheidet ihn vom Fall der Halbleiter-basierten Photovoltaik, wo die offene Klemmspannung durch die Bandlücke des Materials begrenzt ist. Auch erfordert der APV-Effekt keinen pn-Übergang zur Erzeugung eines Photostroms. Entscheidend ist stattdessen die nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur der ferroelektrischen/multiferroischen Materialien, die die Basis für diesen photovoltaischen Effekt bildet.

Die Forschung konzentriert sich insbesondere auf die Erhöhung des generierten Photostroms und die Verringerung der Bandlücke von Materialien, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. So soll ein neues Kapitel der Photovoltaik eröffnet werden, das durch eine gezielte Kontrolle der Photoantwort charakterisiert sein wird. Die gezielte Modifikation der ferroelektrischen und multiferroischen Materialien im Hinblick auf eine deutliche Verbesserung der Nutzbarkeit des Anomalen Photovoltaischen Effekts soll dabei folgendermaßen vorgenommen werden:

  • durch ein gezieltes Tuning der kristallographischen Asymmetrie
  • durch eine gezielte Verminderung der Bandlücke
  • durch eine kontrollierte Einstellung der bandnahen Zustände in der Bandlücke
  • durch eine Ausnutzung der tensoriellen Natur des APV-Effekts

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:

Forschungsgruppe „Light-to-Silicon“
Dr. Paul-Tiberiu Miclea
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
ZIK SiLi-nano®
Karl-Freiherr-von Fritsch-Str. 3
06120 Halle (Saale)

Forschungsgruppe „Silicon-to-Light“
Prof. Dr. Jörg Schilling
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
ZIK SiLi-nano®
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)

Nachwuchsforschungsgruppe „Light for Hydrogen“
Jun.-Prof. Dr. Wouter Maijenburg
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
ZIK SiLi-nano®
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)

Nachwuchsforschungsgruppe „Light for High-Voltage Photovoltaics“
Dr. Akash Bhatnagar
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
ZIK SiLi-nano®
Karl-Freiherr-von-Fritsch-Str. 3
D-06120 Halle (Saale)

Kontakt:

Romy Oleynik-Weber
Projektkoordination
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
ZIK SiLi-nano®
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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