Heiße Elektronen weisen den Weg zum Photonen-Einfang

Licht absorbierende Schichten spielen in vielen alltäglichen Anwendungen eine Rolle – zum Beispiel in Solarzellen oder Sensoren. Mit ihrer Hilfe wird Licht in elektrischen Strom oder Wärme umgewandelt, die Schichten fangen das Licht förmlich ein. Unklar ist allerdings, welcher Mechanismus das Einfangen von Licht mit der höchsten Effizienz ermöglicht. Wissen­schaftler der Uni Bielefeld, der TU Kaisers­lautern und der Uni Würzburg konnten nun zeigen, dass sehr effiziente Lichtstreuung in ultra­dünnen rauen Schichten das einfallende Licht so lange einfängt, bis es vollständig absorbiert ist. Die Forschung kann dabei helfen, dünne Absorber­schichten noch effizienter zu machen, um so Energie zu sparen.

Das Team setzte bei den Experimenten ultrakurze Licht­pulse ein. Wenn solche Pulse glatte, ultradünne Schichten durchdringen, treten sie auf der anderen Seite fast unverändert und kaum abgeschwächt wieder aus. In rauen Schichten hingegen verhindern Unregel­mäßig­keiten, dass der Licht­impuls sich unge­hindert im Material ausbreitet. Bei vielen Unregel­mäßig­keiten bewegt sich der Lichtimpuls auf einem geschlossenen Pfad und bleibt so lange gefangen, bis das Licht absorbiert ist.

Zwei Effekte haben den Forschern erlaubt, diesen Mecha­nismus des Licht­einfangs nachzu­weisen. Erstens wird vom eingefangenen Licht ein winziger Anteil freigelassen. Die zeitliche Entwicklung dieses Lichts zeigt direkt, wie lange es in der Schicht eingefangen war. Der zweite Effekt liefert Infor­mationen über die räumliche Lokalisierung des Lichteinfangs und die lokale Energie­absorption. Die Absorption eines ultrakurzen Lichtimpulses regt Elektronen im Absorber­material an und heizt diese kurzfristig auf Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius auf. Bei diesen Tempe­ra­turen treten Elektronen aus dem Material aus, welche die Forscher mittels Elektronen­mikro­skopie mit hoher räumlicher Auflösung nachweisen konnten. Die Messungen zeigen, dass das Licht in kleinen Bereichen von etwa einem Mikrometer Durch­messer einge­fangen und dort auch absorbiert wird.

Diese Anderson-Lokalisierung wurde bereits vor mehr als sechzig Jahren beschrieben und seitdem mehrmals nachge­wiesen. Neu ist, dass der Mechanismus auch für dünne Absorber­schichten funktioniert. „Das eröffnet neue Wege für die Entwicklung hocheffizienter Absorber und kann so beispielsweise dazu beitragen, Dünnschicht-Solarzellen oder Sensoren zu verbessern“, sagt Walter Pfeiffer von der Uni Bielefeld. Ziel der Forschung sei es, Dünn­schicht­absorber effizienter zu machen, sodass sie im Alltag ange­wendet werden können. Künftig wollen die Forschenden untersuchen, welche Struktur die Schicht aufweisen muss, um Licht perfekt einzufangen, um dann ein universelles Konzept für die effiziente Licht­absorption durch Anderson-Lokalisierung zu entwickeln.

UB / RK