Nano-SIS - Nanostrukturierte Siliziumgrenzflächen - Jena

Das ForMaT-Vorhaben

Die begrenzten Reserven an fossilen Energieträgern und der weltweit steigende Energiebedarf haben die EU und Deutschland veranlasst den Ausbau erneuerbarer Energien als unverzichtbaren Bestandteil der Klimapolitik des 21. Jahrhunderts zu verankern. Insbesondere soll laut des Bundesverbandes Erneuerbarer Energien (BEE) der Anteil der Photovoltaik am Bruttostromverbrauch in Deutschland von heute etwa einem Prozent auf sieben Prozent im Jahr 2020 ansteigen.

Zum Erreichen dieser Ziele ist eine weitere Effizienzsteigerung klassischer waferbasierter Silizium- und Dünnschichtzellen notwendig. Die Entwicklung einfacher und kostengünstiger Herstellungsverfahren spielt eine ebenso große Rolle. Gerade im Bereich der Waferzellen kommt ihnen durch den enormen Kostendruck und der hohen internationalen Konkurrenz eine besondere Bedeutung zu.

Hier setzt Nano-SIS an. Gegenstand der Initiative sind strukturierte Silizium-Grenzflächen, die in einem speziellen Zellkonzept, dem sogenannten "SIS-System" eingebettet sind. Das SIS-Konzept verspricht ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren. Dadurch werden Ansätze der Nanotechnologie zur Effizienzsteigerung von Solarzellen mit einem einfachen Zelldesign zu einem neuartigen Zellkonzept miteinander verwoben.


Die Ziele

Die Initiative verfolgt das Ziel durch eine wirtschaftswissenschaftliche Projektunterstützung schon frühzeitig Markt- und Kundenanforderungen bei der Forschung und Entwicklung zu berücksichtigen. Dies dient der Fokussierung der Forschungsbemühungen auf wirtschaftlich besonders vielversprechende technologische Ansätze.

Das vorliegende ForMaT-Vorhaben stellt sich der Herausforderung auf Basis von nanostrukturierten Siliziumgrenzflächen innovative Photodioden für die Sensorik und effiziente sowie kostengünstige Solarzellen zu entwickeln.


Die thematischen Schwerpunkte

SIS-Solarzellen
Das SIS-Konzept (englische Abkürzung für Semiconductor Insulator Semiconductor) beinhaltet einen sehr einfachen Schichtaufbau, der als Substrat einen Siliziumwafer (Semiconductor) vorsieht. Auf dem Substrat befindet sich eine dünne Barriereschicht (Insulator), die mit einem transparent leitfähigem Oxid (Semiconductor) überschichtet wird. Als TCO (englische Abkürzung für Transparent Conductive Oxide) wird derzeitig Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt.  Zukünftige Forschungsbemühungen werden sich jedoch auf die Verwendung des um ein vielfach kostengünstigeres Aluminium dotiertes Zinkoxids  konzentrieren.

Der Vorteil des SIS-Konzeptes liegt vor allem in seiner unkomplizierten Herstellung mittels industrieerprobter Sputterverfahren. Sputterprozesse finden zunehmend Eingang in industrielle Herstellungsverfahren von Solarzellen, beispielsweise bei dem Aufbringen von Antireflexschichten. Trotzdem ist die industrielle Fertigung von Waferzellen auf teure Diffusionsprozesse (zur Herstellung des pn-Übergangs) angewiesen. Die Herstellung des SIS-Systems hingegen erfolgt komplett mittels Sputterdeposition. Bei diesem PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) wird Material von einem Target abgetragen, gesputtert, und auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht.

Black Silicon
Silizium ist das bedeutendste Halbleitermaterial der Photovoltaik. Es ist ein indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 1,11 eV  (bei 300 K).  Elektromagnetische Strahlung oberhalb von etwa 1.100 nm wird nicht mehr absorbiert. Des Weiteren ist der Brechungsindex von Silizium, insbesondere im visuellen Spektralbereich sehr hoch, sodass Reflexionsverluste von deutlich mehr als 30 % im gesamten Spektralbereich auftreten. Die hohe Reflexion mindert die Absorption einfallender Lichtleistung gerade in einem Teil des Sonnenspektrums mit hohen Leistungsdichten. Dadurch wird die Erzeugung freier Ladungsträger minimiert und letztlich der Wirkungsgrad geschmälert.

Durch eine Oberflächenstrukturierung kann die Grenzflächenreflexion reduziert und damit die Absorption erhöht werden. Im Nano-SIS Projekt werden stochastische Oberflächenstrukturen durch den Mechanismus des reaktiven Ionenätzens hergestellt. Die eingebrachten Strukturen bewirken eine breitbandige, winkelunabhängige Entspiegelung. Somit kann über den gesamten relevanten Spektralbereich eine äußerst effektive Einkopplung der einfallenden Strahlung in den photoaktiven Bereich realisiert werden. Auf Grund der nahezu verschwindenden Grenzflächenreflexion und einem damit verbundenen schwarzen Erscheinungsbild werden so strukturierte Siliziumoberflächen auch als "Black Silicon" bezeichnet.


Die Partner

  • CiS Forschungsinstitut GmbH
  • Bosch Solar Energy AG
  • Leybold Optics
  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Kontakt

Projektkoordinator:
Prof. Dr. Andreas Tünnermann
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Angewandte Physik (IAP)
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641-947 801
Fax: 03641-947 802
E-Mail: andreas.tuennermann[at]uni-jena.de
Internet: www.nanosis.uni-jena.de

Projektleiter:
Dipl.-Phys. Kevin Füchsel
E-Mail: kevin.fuechsel[at]uni-jena.de
Tel.: 03641-807 273