Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Heiße Elektronen weisen Weg zum perfekten Lichteinfang

01.09.2015

Physiker erforschen, wie mit Hilfe von rauen ultradünnen Schichten optimal Licht eingefangen wird

Licht absorbierende Schichten spielen in vielen alltäglichen Anwendungen eine Rolle – zum Beispiel in Solarzellen oder Sensoren. Mit ihrer Hilfe wird Licht in elektrischen Strom oder Wärme umgewandelt, die Schichten fangen das Licht förmlich ein.


Martin Piecuch justiert das Elektronenmikroskop zum Nachweis der heißen Elektronen.

Foto: Technische Universität Kaiserslautern


Dominik Differt misst die Lichtstreuung an einer rauen Absorberschicht.

Foto: Universität Bielefeld/W. Pfeiffer

Obwohl diese Absorberschichten verbreitet eingesetzt werden, verstehen Wissenschaftler noch nicht, welcher Mechanismus das Einfangen von Licht mit der höchsten Effizienz ermöglicht. Ein Team von Physikern der Universität Bielefeld, der Technischen Universität Kaiserslautern und der Universität Würzburg hat nun nachgewiesen, dass sehr effiziente Lichtstreuung in ultradünnen rauen Schichten das einfallende Licht so lange einfängt, bis es vollständig absorbiert ist.

Ihre Ergebnisse stellen die Forschenden jetzt (31.08.2015) im Magazin Nature Photonics vor. Die Forschung kann dabei helfen, dünne Absorberschichten noch effizienter zu machen, um so Energie zu sparen.

In den Experimenten wurden ultrakurze Lichtimpulse eingesetzt. Wenn solche Impulse glatte, ultradünne Schichten durchdringen, treten sie auf der anderen Seite fast unverändert und kaum abgeschwächt wieder aus. In rauen Schichten hingegen verhindern Unregelmäßigkeiten, dass der Lichtimpuls sich ungehindert im Material ausbreitet. Bei vielen Unregelmäßigkeiten bewegt sich der Lichtimpuls auf einem geschlossenen Pfad und bleibt so lange gefangen, bis das Licht absorbiert ist.

Zwei Effekte haben den Physikern erlaubt, diesen Mechanismus des Lichteinfangs nachzuweisen. Zum Einem wird vom eingefangenen Licht ein winziger Anteil freigelassen. Die zeitliche Entwicklung dieses Lichts zeigt direkt, wie lange es in der Schicht eingefangen war. Ein zweiter Effekt liefert Informationen über die räumliche Lokalisierung des Lichteinfangs und die lokale Energieabsorption.

Die Absorption eines ultrakurzen Lichtimpulses regt Elektronen im Absorbermaterial an und heizt diese kurzfristig auf Temperaturen von mehreren 1000 Grad Celsius auf – vergleichbar zur Temperatur der Sonnenoberfläche. Bei diesen Temperaturen treten Elektronen aus dem Material aus, welche mittels Elektronenmikroskopie mit hoher räumlicher Auflösung nachgewiesen wurden. Die Messungen zeigen, dass das Licht in kleine Bereiche von etwa einem Mikrometer Durchmesser eingefangen und dort auch absorbiert wird.

Der zugrundeliegende Effekt dieser so genannten Anderson-Lokalisierung wurde bereits vor mehr als 60 Jahren beschrieben und seitdem mehrmals nachgewiesen. Neu ist, dass der Mechanismus auch für dünne Absorberschichten funktioniert. „Dies eröffnet neue Wege für die Entwicklung hocheffizienter Absorber und kann so beispielsweise dazu beitragen, Dünnschicht-Solarzellen oder Sensoren zu verbessern“, sagt Professor Dr. Walter Pfeiffer von der Universität Bielefeld.

Ziel der Forschung sei es, Dünnschichtabsorber effizienter zu machen, so dass sie im Alltag angewendet werden können. Künftig wollen die Forschenden untersuchen, welche Struktur die Schicht aufweisen muss, um Licht perfekt einzufangen, um dann ein universelles Konzept für die effiziente Lichtabsorption durch Anderson-Lokalisierung zu entwickeln.

Originalveröffentlichung:
Martin Aeschlimann, Tobias Brixner, Dominik Differt, Ulrich Heinzmann, Matthias Hensen, Christian Kramer, Florian Lükermann, Pascal Melchior, Walter Pfeiffer, Martin Piecuch, Christian Schneider, Helmut Stiebig, Christian Strüber und Philip Thielen: Perfect absorption in nanotextured thin films via Anderson-localized photon modes. Nature Photonics. 2015
DOI: 10.1038/nphoton.2015.159

Kontakt:
Professor Dr. Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5470
E-Mail: pfeiffer@physik.uni-bielefeld.de

Prof. Dr. Tobias Brixner, Universität Würzburg
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Telefon 0931 31-86330
E-Mail: brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Martin Aeschlimann, Technische Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
Telefon 0631 205-2322
E-Mail: ma@physik.uni-kl.de

Weitere Informationen:

http://www.physik.uni-bielefeld.de/experi/d4/index.html

Sandra Sieraad | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu Sprachdialogsystemen und Mensch-Maschine-Kommunikation in Saarbrücken

24.07.2017 | Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft

24.07.2017 | Energie und Elektrotechnik

Innovationsindikator 2017: Deutschland auf Platz vier von 35, bei der Digitalisierung nur Rang 17

24.07.2017 | Studien Analysen

Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie