Untersuchung optischer Nanostrukturen für die Photovoltaik mit Nahfeldmikroskopie

Beckers, Thomas; von Plessen, Gero

doi:30437

Untersuchung optischer Nanostrukturen für die Photovoltaik mit Nahfeldmikroskopie = Near-field microscopy on optical nanostructures for photovoltaic application

Beckers, Thomas (Author)

2010 & 2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Beckers

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIII, 128 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Prüfungsjahr: 2010. - Publikationsjahr: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-10-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35309
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63932/files/3530.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Nahfeldoptik (Genormte SW) ; Optisches Nahfeldmikroskop (Genormte SW) ; Dünnschichtsolarzelle (Genormte SW) ; Photovoltaik (Genormte SW) ; Photonik (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Lichteinfang (frei) ; light trapping (frei) ; near-field scanning optical microscopy (frei) ; photovoltaics (frei) ; thin-film solar cells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
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.

Textured and rough surfaces are known to increase light trapping in solar cells significantly. The development and optimization of these nano-structures is essential to improve the energy conversion efficiency of thin-film solar cells. In the past, first research approaches covered classical and macroscopic investigations, e.g. determining the haze or angularly resolved scattering. These methods do not provide precise explanation for the optical improvement of the devices, because layer thicknesses and structure sizes in thin-film solar cells are smaller than the wavelength of visible light. The impact of local nano-structures and their contribution to the local absorption enhancement is not resolved by macroscopic measurements. In this thesis, near-field scanning optical microscopy is introduced as first near-field investigations of nano-structures for photovoltaics. This provides an insight into local optical effects for relevant surfaces of photovoltaic devices. Investigating the distribution of the electric fields in layer stacks is crucial to understand the absorption in solar cells. Evanescent fields, which occur due to total internal reflection at the interfaces, are measurable by near-field scanning optical microscopy and yield important information about local light trapping. Within the framework of this thesis, correlations between local surface structures and optical near-field effects are shown. In this case structure features of randomly textured surfaces, which optimize local light trapping, are identified. It paves the way to connect microscopic optical effects on the surface with the macroscopic performance of thin-film solar cells. Moreover, the measurement yields a 3D illustration of the electric field distribution over the sample surface. It is an important criterion to prove the results of rigorous diffraction theory. An excellent agreement between experiment and simulation is found. The simulations provide an insight into the material, which is not accessible by the experiment. Therefore, impacts of optical improvements such as absorption enhancement due to different surface textures or properties of selective and diffractive filters can be studied.

Fulltext:
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