Mehr aus Licht herausholen – Hallenser erforschen Schnittstelle von Photonik und Photovoltaik

Während elektronische Schaltkreise in Mikro- und Leistungselektronik detailliert erforscht sind, besteht für die Integration von optischen Bauteilen noch Forschungsbedarf. Insbesondere die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom und Mikro-Lichtquellen für optische Computer sind derzeit für die Wissenschaft interessant.

Hier setzen die beiden Nachwuchsgruppen Light2Silicon und Silicon2Light in Halle an. In diesen bündeln das Institut für Physik der Universität Halle-Wittenberg, das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP ihre Kompetenzen in angewandter und Grundlagenforschung an Bauelementen auf der Basis von Silizium.

Dafür werden sie seit 2009 mit 6,25 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. »Durch die enge Verzahnung von universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen gelingt eine beispiellose wissenschaftliche Durchdringung des Themas mit hohen Synergien«, sagt Professor Ralf B. Wehrspohn, Mitinitiator des Zentrums und Leiter des Fraunhofer IWM Halle.

Solarzellen sind mittlerweile eine ausgereifte Technik mit Wirkungsgraden über 20 Prozent. Um die Leistung weiter zu steigern, optimiert die Gruppe Light2Silicon die Einkapselungs-materialien mit Hilfe der sogenannten up- und down-Konversion. Dabei wird das einfallende Licht so verändert, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird.

Die Lichtausbeute und damit der Wirkungsgrad kann dadurch gesteigert werden, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren. Im Projekt werden optisch aktive Glaskeramiken durch geeignete Wahl des Aktivators, beispielsweise Seltenerdmetalle, für diese Anwendung angepasst. Sie sind im optischen Spektralbereich transparent und somit ideal geeignet. Neben der optischen Funktionalität der Glaskeramiken werden im Projekt auch ihre mechanischen Eigenschaften untersucht und verbessert.

Als wichtiges Ergebnis konnte Light2Silicon die Effektivität von verschiedenen Konversions-leuchtstoffen für Silizium-Solarzellen evaluieren. Bei der up-Konversion legten die Wissenschaftler das Hauptaugenmerk auf Neodym in Zirkonfluoridgläsern und darauf basierende Glaskeramiken. »Die Gruppe konnte so Neodym als bestes Material für die up-Konversion des in der Solarzelle nicht genutzten Anteils der Infrarotstrahlung identifizieren, während in der Literatur bisher meist Erbium für diesen Zweck favorisiert wurde«, fasst Lausch die Forschungsergebnisse zusammen.

»Die Erkenntnisse sind nicht nur wissenschaftlich wertvoll, sondern auch für weitere Anwendungen wie beispielsweise in der medizinischen Bildgebung bei Konversion von Röntgenlicht interessant«, so Lausch weiter. Lausch hat seit 1. Januar 2015 die Leitung über die Gruppe übernommen. Er ist promovierter Physiker und Teamleiter am Fraunhofer CSP in der Gruppe Siliziumwafer. Mit 31 Jahren kann er bereits mehr als 30 Fachpublikationen in wissenschaftlichen Journalen und mehrere Preise als bester Nachwuchswissenschaftler vorweisen.

Die Gruppe Silicon2Light arbeitet an einem elektrisch gepumpten, auf Silizium basierenden Laser mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge. Eine solche Lichtquelle kann die auf Silizium basierenden elektronischen Chips revolutionieren, indem schnelle Lichtpulse anstelle der konventionellen langsameren Spannungspulse zur Kommunikation zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips verwendet werden. Dies würde eine neue Generation ultraschneller Computerprozessoren erlauben.

Das ZIK-Programm ist Teil der Innovationsinitiative »Unternehmen Region«, mit dem die Bundesregierung leistungsstarke Forschungszentren in Ostdeutschland etablieren will.

Fraunhofer CSP
Steigende Energiepreise und die Verknappung fossiler Ressourcen sind treibende Faktoren bei der Entwicklung und Nutzbarmachung erneuerbarer Energiequellen. Am Fraunhofer-Institut für Silizium-Photovoltaik CSP wird daran geforscht, wie erneuerbare Energiequellen effizient genutzt werden können. Siliziumkristallisation, Solarmodultechnologien und Solarwaferfertigung sind Hauptthemenfelder des Instituts. So werden innovative Technologien zur Waferherstellung und Modulfertigung entwickelt und die neuesten Erkenntnisse aus der Forschung praxisnah umgesetzt. Das Fraunhofer CSP ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer IWM und ISE.

http://www.sili-nano.de – Webseite des Zentrums für Innovationskompetenz
http://www.csp.fraunhofer.de – Webseite des Fraunhofer CSP