Heiße Elektronen weisen den Weg zum Photonen-Einfang
Experimente zeigen, wie raue Oberflächenschichten Licht absorbieren.
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.
Abb.: Dominik Differt misst die Lichtstreuung an einer rauen Absorberschicht. (Bild: U. Bielefeld)
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
