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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Theorie und Multiskalensimulation von Solarzellen mit Nanostrukturkomponenten

Eine Vielzahl von neuartigen photovoltaischen Bauelementen enthält Nanostrukturkomponenten oder Inhomogenitäten auf der Nanometerskala, da sich damit optoelektronische Eigenschaften den spezifischen Anforderungen anpassen lassen. Beispiele solcher am IEK-5 auch experimentell untersuchter Nanostrukturkomponenten sind die Passivier- und Kontaktschichten der Silizium Heterostruktursolarzelle (AG Ding) sowie die Nanopartikelabsorber aus häufigen und ungiftigen Materialien (AG Carius).

Die Anwesenheit der Nanostrukturkomponenten mit der gewünschten Abweichung des physikalischen Verhaltens von demjenigen des Volumenmaterials stellt die Modellierung der photovoltaischen Bauelemente vor neue Herausforderungen: zum einen wird die Physik der Nanostrukturen durch die herkömmlichen makroskopischen Kontinuumsmodelle für das Volumenmaterial unzureichend beschrieben, und zum anderen ist eine komplette Beschreibung der gesamten Solarzelle durch ein mikroskopisches Modell mit atomistischer Auflösung aufgrund des immensen Rechenaufwans nicht machbar und auch nicht sinnvoll, da nur Teile des Bauelements vom Volumenmaterial abweichen. In dieser Situation sind neue Multiskalensimulationsansätze gefragt, welche die Beschreibung des Volumenmaterials im makroskopischen Modell mit der Berücksichtigung der Nanostrukturen im mikroskopischen Modell kombinieren und damit den Einfluss von Nanostrukturkomponenten auf die Bauelementscharakteristik physikalisch valide beschreiben.

Auf der Materialebene liefern mikroskopische Ansätze für die Beschreibung der Mikrostruktur, z.B. ab-initio Methoden wie Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder Tight-Binding in Kombination mit Molekulardynamik die elektronischen und vibrationellen Zustände der Nanostrukturen. Die Zustände könne in der Folge zur Parametrisierung mesoskopischer Hamiltonians als Grundlage quanten-kinetischer Beschreibungen der Ladungsträgerdynamik verwendet werden. Mittels solch er Ansätze wie z.B. dem Nichtgleichgewichtsgreensfunktionsformalismus (NEGF) lassen sich bereits lokale Bauelementscharakteristiken beschreiben. Für die Simulation kompletter Solarzellen mit realistischen Ausdehnungen werden dann in einer makroskopischen 3D Multiphysik (optisch-elektronisch-thermisch) Bauelementsimulationsumgebung wie z.B. ''TiberCAD'' entweder die mikroskopisch ermittelten Materialparameter für die Nanostrukturen verwendet, oder die mesoskopisch beschriebenen Bereiche mittels geeigneter Randbedingungen integriert.

Einer der Schwerpunkte der AG Multiskalensimulation liegt in der Methodenentwicklung auf mesoskopischer Ebene, d.h., in der Erweiterung des NEGF Formalismus auf neue Prozesse und Nanostrukturkomponenten, z.B. nichtstrahlende Rekombination über Störstellen und den Auger-Effekt sowie Nanokristall-Quantenpunkte oder ultradünne Absorberschichten. Direkte Anwendung finden die Entwicklungen in der Simulation diverser Hocheffizienzsolarzellkonzepte der dritten Generation, wie z.B. Quantentopfsolarzellen, Quantenpunkt-Intermediate-Band Solarzellen, Tunnelkontakte in Stapelsolarzellen, etc.

NanopartikelabsorbersolarzelleMultiskalenanalyse einer Nanopartikelabsorbersolarzelle

Ansprechpartner:

Dr. Urs Aeberhard
Telefon: +49 2461 61-2615
E-Mail: u.aeberhard@fz-juelich.de


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