Licht zu Silizium zu Licht

Den Wirkungsgrad von Solarzellen durch neue Beschichtungen erhöhen und die optische Datenübertragung in der Mikroelektronik verbessern, das ist das Ziel des Zentrums für Innovationskompetenz ZIK SiLi-nano. Zum Jahresbeginn übergibt das Zentrum die Führung der Nachwuchsgruppe Light2Silicon an den Physiker Dominik Lausch vom Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP.

Während elektronische Schaltkreise in Mikro- und Leistungselektronik detailliert erforscht sind, besteht für die Integration von optischen Bauteilen noch Forschungsbedarf. Insbesondere die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom und Mikro-Lichtquellen für optische Computer sind derzeit für die Wissenschaft interessant. Hier setzen die beiden Nachwuchsgruppen Light2Silicon und Silicon2Light in Halle an. In diesen bündeln das Institut für Physik der Universität Halle-Wittenberg, das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik und das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP ihre Kompetenzen in angewandter und Grundlagenforschung an Bauelementen auf der Basis von Silizium. Dafür werden sie seit 2009 mit 6,25 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung unterstützt. „Durch die enge Verzahnung von universitären und außeruniversitären Forschungs­einrichtungen gelingt eine beispiellose wissenschaftliche Durchdringung des Themas mit hohen Synergien“, sagt Ralf B. Wehrspohn, Mitinitiator des Zentrums und Leiter des Fraunhofer IWM Halle.

Solarzellen sind mittlerweile eine ausgereifte Technik mit Wirkungsgraden über zwanzig Prozent. Um die Leistung weiter zu steigern, optimiert die Gruppe Light2Silicon die Einkapselungs­materialien mit Hilfe der sogenannten up- und down-Konversion. Dabei wird das einfallende Licht so verändert, dass es in den für Solarzellen nutzbaren Energiebereich verschoben wird. Die Lichtausbeute und damit der Wirkungs­grad kann dadurch gesteigert werden, ohne die eigentliche Solarzelle zu modifizieren. Im Projekt werden optisch aktive Glas­keramiken durch geeignete Wahl des Aktivators, beispielsweise Seltenerdmetalle, für diese Anwendung angepasst. Sie sind im optischen Spektralbereich transparent und somit ideal geeignet. Neben der optischen Funktionalität der Glas­keramiken werden im Projekt auch ihre mechanischen Eigen­schaften untersucht und verbessert.

Als wichtiges Ergebnis konnte Light2Silicon die Effektivität von verschiedenen Konversions­leuchtstoffen für Silizium-Solarzellen evaluieren. Bei der up-Konversion legten die Wissenschaftler das Haupt­augen­merk auf Neodym in Zirkon­fluorid­gläsern und darauf basierende Glaskeramiken. „Die Gruppe konnte so Neodym als bestes Material für die up-Konversion des in der Solarzelle nicht genutzten Anteils der Infrarotstrahlung identifizieren, während in der Literatur bisher meist Erbium für diesen Zweck favorisiert wurde“, fasst Lausch die Forschungs­ergebnisse zusammen. „Die Erkenntnisse sind nicht nur wissenschaftlich wertvoll, sondern auch für weitere Anwendungen wie beispielsweise in der medizinischen Bildgebung bei Konversion von Röntgenlicht interessant“, so Lausch weiter. Lausch hat seit 1. Januar 2015 die Leitung über die Gruppe übernommen. Er ist promovierter Physiker und Teamleiter am Fraunhofer CSP in der Gruppe Silizium­wafer. Mit 31 Jahren kann er bereits mehr als 30 Fachpublikationen in wissenschaftlichen Journalen und mehrere Preise als bester Nachwuchs­wissenschaftler vorweisen.

Die Gruppe Silicon2Light arbeitet an einem elektrisch gepumpten, auf Silizium basierenden Laser mit durchstimmbarer Emissions­wellenlänge. Eine solche Lichtquelle kann die auf Silizium basierenden elektronischen Chips revolutionieren, indem schnelle Lichtpulse anstelle der konventionellen langsameren Spannungs­pulse zur Kommunikation zwischen verschiedenen Bauelementen der Chips verwendet werden. Dies würde eine neue Generation ultraschneller Computer­prozessoren erlauben. Das ZIK-Programm ist Teil der Innovationsinitiative „Unternehmen Region“, mit dem die Bundesregierung leistungsstarke Forschungszentren in Ostdeutschland etablieren will.

Fh.-IWM / DE