Untersuchung optischer Nanostrukturen für die Photovoltaik mit Nahfeldmikroskopie
Beckers, Thomas - Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2010)
Texturierte und raue Oberflächen erhöhen signifikant die Lichtführung in Solarzellen. Die Weiterentwicklung und Optimierung von diesen Nanostrukturen ist daher essentiell für die Steigerung der Effizienz von Dünnschichtsolarzellen. In der Vergangenheit wurden durch klassische bzw. makroskopische Untersuchungsmethoden, wie z. B. die Bestimmung des Hazes oder winkelaufgelöste Streumessungen, wesentliche Entwicklungsrichtungen vorgegeben. Diese liefern aber keine eindeutigen Erklärungen für die optische Verbesserung der Systeme, da sowohl Schichtdicken als auch Strukturgrößen der Dünnschichtsolarzellen die Wellenlängen des Lichts im sichtbaren Spektralbereich unterschreiten. Die Bedeutung der lokalen Nanostrukturen und ihr Beitrag zur lokalen Absorptionsverstärkung wird durch makroskopische Untersuchungen nicht aufgelöst.
In der vorliegenden Arbeit werden erste nahfeldmikroskopische Untersuchungen an Nanostrukturen für die Photovoltaik mit einem optischen Rasternahfeldmikroskop vorgestellt. Diese gewähren einen Einblick in die lokalen, optischen Eigenschaften der für die Photovoltaik relevanten Oberflächen. Die Untersuchung der Lichtführungseigenschaften der Schichtsysteme spielt eine zentrale Rolle. Evaneszente Felder, die auf Grund von Totalreflexion an den Grenzflächen auftreten, werden durch die Nahfeldmikroskopie messbar und liefern einen bedeutenden Hinweis auf die lokale Lichtführung. Im Rahmen dieser Arbeit werden Zusammenhänge zwischen der lokalen Oberflächenstruktur und den optischen Nahfeldeffekten bzw. evaneszenten Feldern aufgezeigt. Hierbei findet eine Identifizierung von Strukturmerkmalen der stochastisch texturierten Oberflächen statt, die den lokalen Lichteinfang verbessern. Damit sind erste Grundsteine gelegt, um eine Verbindung zwischen den mikroskopischen, optischen Effekten an der Oberfläche und der makroskopischen Leistungsfähigkeit einer Dünnschichtsolarzelle zu ziehen. Des Weiteren liefert die Messung ein dreidimensionales Abbild der elektrischen Feldverteilung jenseits der Probenoberfläche. Dieses dient als Vergleichskriterium, um die Realitätsnähe rigoros gerechneter Simulationen zu untermauern. Hierbei wird eine außerordentliche Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation festgestellt. Die Simulationen bieten einen Einblick ins Material, der zunächst experimentell verborgen bleibt. Dadurch können u.a. die Absorptionsverstärkung auf Grund der Oberflächentextur und die Eigenschaften selektiver und diffraktiver Filter studiert werden.