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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Simulation von Quantentopf-Solarzellen mit Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen

Etliche der Konzepte für Ultra-Hocheffizienz-Solarzellen der 3. Generation beruhen auf Quanteneffekten in Halbleiter-Nanostrukturen wie z.B. Quantentöpfe, -drähte oder -punkte. Um die optischen und elektronischen Eigenschaften solcher Strukturen, insbesondere innerhalb von Solarzellen, zu untersuchen, wird eine mikroskopische Theorie benötigt, welche in der Lage ist, sowohl die optischen wie auch die Transportcharakteristiken eines offenen, wechselwirkenden Nichtgleichgewichtssystems zu beschreiben, in dem Quanteneffekte dominieren. Mit dem Nichtgleichgewichts-Greensfunktionenen Formalismus in einer atomistischen - z.B. empirischen Tight-Binding- Basis, kommt eine Methode zur Anwendung, die die oben formulierten Anforderungen erfüllt und bereits erfolgreich zur Beschreibung ähnlicher quanten-optoelektronischer Bauelemente wie Quanten-Kaskadenlaser oder Infrarot-Photodetektoren eingesetzt wurde.

Konkret werden die Dyson-Gleichung für die retardierte Greensfunktion und die Keldysh-Gleichung für die Elektron- und Lochkorrelationsfunktionen selbstkonsistent mit den Gleichungen für die Selbstenergien der störungstheoretisch behandelten Wechselwirkungen von Ladungsträgern mit Gitterschwingungen (Phononen) und Lichtquanten (Photonen) gelöst. In einer zweiten Selbstkonsistenz-Schlaufe wird zur Bestimmung des elektrostatischen Potentials aus den durch die Greensfunktionen berechneten Ladungsträgerdichten sowie der Dichte der Dotieratome die Poisson-Gleichung gelöst.

Neben makroskopischen Grössen wie den Ladungsträgerdichten und -strömen lassen sich auch spektrale mikroskopische Charakteristiken wie die lokale Zustandsdichte, die Besetzung von quantisierten Zuständen oder das Spektrum des Photostroms bestimmen.

Quantentopf-Solarzellen


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