Tief ins Sandkorn geschaut

46 Prozent unserer Erdkruste besteht aus Sauerstoff. Auf Platz 2 kommt Silizium mit rund 26 Prozent. Steine und Felsen, ja ganze Kontinente sind aus Silizium. Ärgerlicherweise kommt es in der Natur immer in Verbindung mit anderen Elementen vor. Gemischt mit Sauerstoff heißt es Siliziumdioxid oder einfach Quarz. In seiner reinsten Form ist Siliziumdioxid ein Kristall. In lockerer, verunreinigter Form nennt es die ganze Welt: Sand. Silizium ist vielseitig: ohne dieses Element gäbe es kein Glas und Porzellan, keine Solarzellen und Computerchips.

Silizium umgibt uns also eigentlich wie „Sand am Meer“. Um aber aus Sand Silizium zu gewinnen, muss dem Siliziumdioxid der Sauerstoff entzogen werden. Dazu braucht man bis heute extrem viel Energie. Für die industrielle Nutzung als Halbleiter muss dieses Rohsilizium außerdem gereinigt werden.

Silizium in Pulverform
Silizium in Pulverform
Eine 99,99-prozentige Reinheit braucht die Computerindustrie für ihre Chips. Oder auf Deutsch: unter 100 Milliarden Silizium-Atomen darf nur ein einziges „verschmutzt“ sein.

Für Solarzellen ist ein solcher Reinheitsgrad zwar nicht zwingend notwendig. Aber das dafür von der Elektronikindustrie als „Abfall“ bezogene Silizium ist immer noch sehr sauber.

SiLi-nano: Silizium + Licht. So lautet der Titel des Zentrums für Innovationskompetenz in Halle an der Saale. Durch die Bündelung der Kompetenzen des Instituts für Physik der Universität Halle-Wittenberg, des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik sowie des Fraunhofer CSP konnten zwei Nachwuchsforschergruppen entstehen: „Light to Silicon“ und „Silicon to Light“.

Wie kann man Photonen managen?

Der Schwerpunkt von „Light-to-Silicon“ besteht im Erforschen des Photonenmanagements für Solarzellen. Dabei soll das einfallende Licht auf das Rein-Silizium in der Solarzelle so verändert werden, dass es noch stärker in den nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Auf diese Weise ist eine Steigerung des Wirkungsgrades von Solarmodulen, der heute erst bei rund 50 Prozent von Kohlekraftwerken liegt, möglich, ohne die eigentliche Solarzelle komplett umzubauen.

Solarzellen - Ohne Silizium nicht denkbar
Solarzellen - Ohne Silizium nicht denkbar
Gruppenleiter Dr. Gerhard Seifert gab bei einem Strategieworkshop im winterlichen Wernigerode Anfang Februar einen Überblick über den erreichten Arbeitsstand. Im Fokus seiner Forschung steht vor allem das Deckglas einer Solarzelle. Ziel der wissenschaftlichen Arbeit seines Teams ist es beispielsweise,  ein einfallendes Photon aus dem ultravioletten Licht in zwei oder mehrere Photonen einer Wellenlänge so umzuwandeln, dass sie wesentlich besser von der Solarzelle absorbiert und dadurch in mehr elektrische Energie umgewandelt werden können. Noch in der Bearbeitung befindet sich die dafür notwendige Materialoptimierung des Glases bzw. der Glaskeramik.

Verschiedene Materialsysteme werden z.B. mit ultrakurzen Laserimpulsen untersucht, um die optimale Struktur einer fluoreszierenden Glaskeramik heraus zu finden. Um diesem Ziel näher zu kommen, wird auch 2013 ein Jahr der Experimente mit umfangreichen Messreihen werden.

Welche Nanopartikel aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium oder Silber, können den Prozess unterstützen? Wie wirken sich welche Seltenen Erden aus, wenn sie in hoher Konzentration im Substrat der Deckschicht auf der Solarzelle eingesetzt werden? Mit welcher Methode kann der Lichtverlust verhindert werden, der  zwischen dem Auftreffen an der Glasfront und der Weiterleitung in die Siliziumzwischenräume der Solarzelle entsteht?

Silizium-Laser soll Chiptechnik revolutionieren

Das klingt zum einen sehr ambitioniert, zum anderen scheint es aber machbar, glaubt man den Worten von Gruppenleiter und Juniorprofessor Dr. Jörg Schilling: „Der Forschungsschwerpunkt meiner Nachwuchsgruppe „Silicon-to-Light“ liegt auf der Entwicklung von neuen Mikro-Lichtquellen, die auf Silizium basieren oder mit Silizium kompatibel sind.“

Sucht neue Mikro-Lichtquellen für Computerchips: Dr. Jörg Schilling
Sucht neue Mikro-Lichtquellen für Computerchips: Dr. Jörg Schilling
Dabei findet eine gründliche Analyse aller Faktoren statt, die sich Effizienz einschränkend zeigen. Mit verschiedenen Konzepten der Nanostrukturierung und Materialmodifizierung im Nano-Bereich sollen diese Grenzen überwunden werden, so Jörg Schilling. Der Weg zu einem elektrisch gepumpten Laser, der auf Silizium basiert und mit einer steuerbaren Emissionswellenlänge realisiert werden soll, scheint noch weit. Sollte aber ein Durchbruch gelingen, dann hätte diese Lichtquelle das Potenzial, die auf Silizium basierenden elektronischen Chips zu revolutionieren, gibt sich der Juniorprofessor zuversichtlich: „Solche schnellen Lichtimpulse, anstelle der konventionellen langsameren Spannungsimpulse zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips, würde eine neue Generation ultraschneller Computerprozessoren erlauben.“

Auch wenn es sich etwas nach Science Fiction anhört, so hat das Forschungsteam um Jörg Schilling beispielsweise herausgefunden, dass kleine Geranium-Quantenpunkte in einer Silizium-Matrix die Nanostruktur so verändern, dass eine verbesserte Photolumineszenz eindeutig gemessen wurde.

Wie geht Licht-Tuning?

Mehrere Ansätze für die effiziente Lichtemission und nichtlineare optische Frequenzumwandlung in Materialien auf Basis von Silizium verfolgen die Nachwuchsforscher: „Wir untersuchen die Auswirkungen einer mikro- und nanophotonischen Strukturierung z.B. in photonischen Kristallen. Um optische Effekte im Silizium zu verstärken, verzerren wir zum Beispiel sein Kristallgitter oder verändern die Porosität des Siliziums.“, unterstreicht Jörg Schilling.

Entsprechende Versuche mit einer Deckschicht aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrat verlaufen bisher vielversprechend. Fortgesetzt werden 2013 auch umfangreiche Kooperationen im Rahmen des ZIK SiLi-nano u. a. mit der Universität Bergakademie Freiberg, dem Laserzentrum Hannover, der Queens-Universität Belfast und der Universität Trento.

 

Weitere Informationen zum ZIK SiLi-nano finden Sie hier.