Seit Anfang Dezember 2023 fördert das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur ein neues Graduiertenkolleg mit dem Titel "Photovoltaik-Technologien für die Zukunft - FuturePV". Im Rahmen dieses vom ISFH geförderten Graduiertenkollegs werden insgesamt 12 Stellen für Doktorandinnen/Doktoranden für 4 Jahre gefördert. Eine entsprechende Stellenausschreibung ist hier zu finden.
Moderne Siliziumsolarzellen erreichen heute Rekordwirkungsgrade von bis zu 26,8 %. Wesentliche Limitierungen gegenüber dem theoretischen Limit für Siliziumsolarzellen von ca. 29,5 % sind die intrinsischen Rekombinationsverluste im Siliziumvolumen sowie die Rekombination an
Oberflächen und Kontakten. Letztere konnten in den vergangenen Jahren durch Einführung sehr effektiver selektiver Kontaktschichten drastisch reduziert werden. Eine Reduktion der unvermeidbaren intrinsischen Volumenrekombination kann nur mithilfe dünnerer Silizium-Wafer erreicht werden, was jedoch einen direkten negativen Einfluss auf die erreichbare Photostromdichte und somit auf die Effizienz der Solarzelle hat, da das für die Photoabsorption zur Verfügung stehende Volumen des Silizium-Absorbers bei Verringerung seiner Dicke ebenfalls reduziert wird. Seit einigen Jahren werden Strukturen auf der Basis photonischer Kristalle untersucht, die es erlauben, auch mit dünneren Silizium-Wafern hohe Photostromdichten zu erzielen. Wie theoretisch gezeigt werden konnte, erlauben photonische Kristalle auf der Vorderseite von Silizium-Solarzellen eine erhöhte Absorption des einfallenden Lichts und ermöglichen so deutlich erhöhte Photoströme und damit höhere Wirkungsgrade als es das klassische theoretische Limit vorhersagt. Die vor diesem Hintergrund bislang untersuchten photonischen Kristalle bestehen aus regelmäßig angeordneten invertierten Pyramiden mit Kantenlängen von wenigen Mikrometern. Die Herstellung der invertierten Pyramiden wird dabei mithilfe von selektiven stark anisotropen nasschemischen Ätzprozessen durch eine Maske aus Siliziumoxid erreicht.
Auf Labormaßstab konnten in einer Kooperation zwischen MBE und ISFH bereits erste Solarzellen mit photonischen Kristallen auf den Vorderseiten hergestellt werden. Diese waren jedoch noch limitiert durch lokale Inhomogenitäten im Herstellungsprozess der regelmäßigen invertierten Pyramiden. Im Rahmen der hier geplanten Projektes sollen zunächst Bedingungen etabliert werden, die eine definierte Herstellung großflächiger photonischer Kristalle auf Silizium ermöglichen. Hierzu existieren am MBE bereits erste Vorarbeiten, die auf dem Strukturübertrag mittels konventioneller Fotolithografie basieren. Der so erarbeitete Prozess soll dann systematisch variiert und die hergestellten Strukturen anschließend optisch (Transmission, Reflexion) und strukturell (Rasterelektronenmikroskop, Rasterkraftmikroskop) charakterisiert werden. Die so erreichten Ergebnisse sollen genutzt werden, um das realistisch erreichbare Effizienzpotential von Siliziumsolarzellen mit photonischen Kristallen besser abschätzen zu können. Zusätzlich sollen neue Teilprozesse entwickelt werden, die die Herstellung photonischer Kristalle verbessern können. Hierzu gehört zum Beispiel das Ersetzen der Fotolithografie durch Laserlithografie oder auch die Nutzung von Trockenätzprozessen anstelle der bislang verwendeten nasschemischen Herstellung. Perspektivisch können die im Rahmen dieses Projektes hergestellten Solarzellen mit photonischen Kristallstrukturen auch als Bottomzellen für Tandemzellen verwendet werden.
