Grundlagenuntersuchungen zu Mehrteilchen-Wechselwirkungen in Silizium

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Schmidt, seit 10/2015
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 162325882

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der zentraler Gedanke des Projekts war, den spektralen Photonenfluss der Lumineszenzstrahlung von Silizium in absoluten Einheiten zu messen. Aus den Messdaten sollten einerseits die Auger-Verstärkungsfaktoren bei geringer Injektion neu bestimmt werden und andererseits die Bandkantenrenormierung des Siliziums bei hohen Injektionsdichten untersucht werden. In Kooperation mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) gelang es, das Lumineszenzspektrum kalibriert mit sehr gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu vermessen. Um aus den kalibrierten Spektren auf die spektrale intrinsische strahlende Rekombinationsrate schließen zu können ist es nötig, die elektrischen und optischen Prozesse innerhalb der Silizium-Probe genau zu reproduzieren. Erst durch einen neuen Algorithmus, der im Rahmen des Projekts gefunden wurde, wurde die Berechnung der Optik durch Strahlverfolgung möglich. Im Rahmen des Projekts konnte dann allerdings der experimentelle Nachweis erbracht werden, dass die in diesem Bereich seit den 80er Jahren verwendete Strahlverfolgung für diesen Zweck nicht ausreicht und ein analytisches Modell mit vereinfachenden Annahmen bessere Resultate liefert. Leider stellte sich heraus, dass die Rekombinationsprozesse im Silizium bei niedriger Ladungsträger-Injektion nicht ausreichend verstanden sind, um die einzelnen Rekombinationsmechanismen trennen zu können. Daher war es nicht möglich, verlässliche Daten zu den Auger-Verstärkungsfaktoren zu erhalten. Ebenso gelang es leider nicht, Strahlungsleistungsdichten zu erreichen, die ausreichend gewesen wären, um die Bandkantenrenormierung im Bereich hoher Injektionsdichten zu untersuchen. Mit der Berechnung der effektiven Lebensdauern konnte demonstriert werden, dass die Methode der absoluten Photolumineszenz funktioniert. Für die Auswertung der Messungen wurden mehrere Algorithmen entwickelt, die wesentliche Verbesserungen für die Untersuchung der Optik von Solarmodulen darstellen. Diese Ergebnisse werden bereits in der industrienahen Forschung eingesetzt und vermutlich auch bald in der Industrie.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Combining structures on different length scales in ray tracing: analysis of optical losses in solar cell modules. In: Optical and Quantum Electronics 47 (2015), Nr. 6, S. 1373–1379
  Winter, Matthias ; Vogt, Malte R. ; Holst, Hendrik ; Altermatt, Pietro P.
  
• Impact of realistic illumination on optical losses in Si solar cell modules compared to standard testing conditions. In: Proceedings of the 31st EUPVSEC, Sep 2015, S. 1869–1874
  Winter, Matthias ; Holst, Hendrik ; Vogt, Malte R. ; Altermatt, Pietro P.