Ultradünne breitbandige solare Absorber für den UV- und UV-NIR-Bereich basierend auf einem skalierbaren plasmonischen Metamaterial

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Faupel; Professor Dr. Carsten Rockstuhl
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413974664

In einem kombinierten experimentellen und theoretischen Ansatz planen wir skalierbare plasmonische Metamaterialien für Anwendungen als ultradünne solare Breitbandabsorber für den UV Bereich als auch für den gesamten Bereich von UV bis NIR zu entwickeln. Die Metamaterialien bestehen aus hochgefüllten partikulären plasmonischen Nanokompositen mit einer breiten Teilchengrößenverteilung, die auf einer reflektierenden Metallschicht mit einer dielektrischen Zwischenschicht abgeschieden sind. Unser Ansatz beruht auf maßgeschneiderten Inhomogenitäten in Längenskalen, Zusammensetzung und anderen Parametern. Insbesondere wollen wir die enorme Verbreiterung der plasmonischen Absorption einzelner Nanopartikel durch Nahfeldkopplung über die Nanospalte zwischen den Partikeln mit anderen Verbreiterungseffekten kombinieren. Für die UV-NIR-Absorber reichen diese von der Kombination unterschiedlicher plasmonischer Nanopartikel über die Dämpfung in Legierungspartikeln und durch nanoskalige Oberflächenrauigkeit bis hin zu quantenmechanischen Dämpungseffekten. Für die UV-Absorber planen wir lediglich Al Nanopartikel unterschiedlicher Größe und Form zu verwenden. Wir zielen auf breitbandige Absorption im UV-Bereich bzw. von UV bis in den NIR-Bereich ab, unabhängig von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichtes bei gleichzeitig niedriger Emission im IR-Bereich. Die Nanokomposite werden über Gasphasenabscheidung mit einer Hochraten-Gasaggregationsclusterquelle und Magnetronsputtern hergestellt. Die Clusterquelle erlaubt u.a. durch unabhängige Kontrolle des Nanopartikelfüllfaktors und der Teilchengrößenverteilung ein Maßschneidern der Nanostruktur. Mit Hilfe von Clusterquellen planen wir auch das Potential auszuloten, dass sich durch die Kombination von Nanopartiken aus unterschiedlichen Materialien und Legierungsnanopartikeln ergibt. Die Designparameter des Absorbers wie Partikelfüllfaktor, Teilchengrößenverteilung, Dicke der dielektrischen Zwischenschicht usw. sollen aus theoretischer Analyse und Simulationen gewonnen werden. Die Analyse schließt einen Mehrfachstreumechanismus, Simulationen auf großer Längenskala mittels der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich und eine Finite-Elemente-Methode zur Berechnung der Temperaturprofile der Nanokomposite unter Lichtabsorption ein. Die Eingangsparameter der Simulationen werden durch verschiedenste Charakterisierungstechniken einschließlich UV-vis-Spektroskopie und spektroskopischer Ellipsometrie ermittelt. Wir haben die grundsätzliche Machbarkeit unseres Konzepts in Vorarbeiten bereits unter Beweis gestellt. Während der Schwerpunkt des vorliegenden Antrags klar auf einem grundlegenden Verständnis der breitbandigen plasmonischen Absorber liegt, gehen wir davon aus, dass die Ergebnisse unserer Untersuchungen von hoher Relevanz für zukünftige Anwendungen im Bereich "solar energy harvesting" sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen