Projekte

Mit diesem Projekt soll eine neue Experimentierstation am BESSY II komplettiert und aufgebaut werden, die es zum ersten Mal erlaubt, zeit- und ortskorrelierte Röntgen- und Infrarotspektren an flüssig-fest, flüssiggas und festgas Grenzflächen aufzunehmen. Diese Möglichkeiten sind insbesondere relevant für elektrochemische Phasengrenzprozesse in Energiematerialien und Bauelementen, wie Elektrokatalysatoren, Halbleiterphotoelektroden sowie Batterien für die Wandlung und Speicherung von erneuerbaren Energien. Das Endstationdesign ist modular und ermöglicht den Anbau von verschiedenen Probenpräparationsumgebungen. Die spektroskopische Ausstattung umfasst ein near-ambient-pressure Photoemissionsspektrometer (NAP-PES) sowie ein zeitauflösendes Infrarotspektrometer in Reflektions-Absorptionsgeometrie (FT-IRAS). Es beinhaltet ein IR-Spektrometer inkl. IR-Strahlkopplung, ein Computer-gesteuertes Gaseinlasssystem sowie Trigger- und Synchronisationsequipment. Die Endstation-Basis inkl. UHV-Rezipienten, Manipulatoren, Röntgenstrahleinkopplung sowie Hochdruck-Photoelektronenspektrometer und weitere Accessoires ist bereits finanziert und wurde 2024 bestellt. Mit diesem ErUM Pro Antrag soll die Endstation komplettiert und durch das beantragte Personal integriert aufgebaut und eingefahren werden. Zur Demonstration des Endstationkonzepts und zur Validierung der zeit- und ortskorrelierten PES-IR Spektroskopie dient die Untersuchung der Oberflächenchemie von III-V, Ge, und Si Photoelektroden zur Aufklärung der Prozesse in der elektrochemischen Doppelschicht als erstes Testprojekt. Die Aufklärung des Wechselspiels der elektronischen Struktur im Kern- und Valenzbandbereich (PES, NEXAFS) mit der chemischen Speziation der Adsorbatphasen (FT-IRRAS) wird zu neuen, bislang nicht zugänglichen Erkenntnissen zu elektrochemischen Phasengrenzen führen.

Halbleitertechnologie und regenerative Energieversorgung sind von größter Bedeutung in der Gesellschaft und Wissenschaft. In beiden Anwendungsfeldern erreicht man beste Leistungsmerkmale mit III-V-Verbindungshalbleitern. Sie zeigen exzellente optoelektronische Eigenschaften und Rekordwerte bei Solarzellen, direkter solarer Wasserstofferzeugung oder CO2-Reduktion. Allerdings ist das Gruppe-III-Element Indium begrenzt verfügbar (auf dem Niveau von Silber); auch Gallium kann als kritisch angesehen werden und manche Gruppe-V-Elmente wie Arsen und Antimon sind zudem gesundheitsbedenklich.

Ziele unseres Projektes sind:

• Reduktion und Substitution der kritischen Elemente in III-V-Bauelementstrukturen, u.a. durch verstärkten Einsatz von Aluminium und Verkleinerungen der automaren Gitterkonstanten

• sowie Lebenszyklusanalyse und ökonomische Perspektiven für die Herstellung von III-V-basierten optoelektronischen Bauelementen.

Das Ziel des Projekts ‚PARASOL' ist es, stabile und effiziente Metalloxid-Passivierungsschutzschichten mit Multiabsorber-photoelektrochemischen (PEC)-Zellen, die aus einer Kombination von III-V-Halbleitern und Si bestehen, durch angepasste energetische Kopplung zu integrieren. Die III-V Photoabsorber werden mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung präpariert. Die Metalloxid-Schutzschichten werden mittels Atomlagenabscheidung abgeschieden. Beide Methoden sind industriell skalierbar. Die III-V-Halbleiteroberfläche wird durch die Kombination von optischer in situ Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie (PES) präzise abgestimmt, um eine defektfreie Heterogrenzfläche zu erreichen. Die Oberflächenpräparation des III-V-Halbleiters wird modifiziert und ihr Einfluss auf die Nukleation der Metalloxid-Schutzschicht und die elektronische Anpassung der Heterogrenzfläche wird untersucht. Spezifische Modifikationen der Sequenz der Metall- und Sauerstoff-Präkursoren werden eingeführt. Die Abscheidung der ersten Monoschichten der Metalloxidschicht wird im Detail untersucht und die Hetero-Grenzfläche wird mit PES ermittelt. Die Passivierungsschichten werden hinsichtlich Zusammensetzung, Kristallinität und Morphologie analysiert.

Das gemeinsame Team der Yale University und der Technischen Universität Ilmenau erforscht den Einsatz von effizienten halbleitenden Photoabsorbern für die organische Synthese. Halbleiter sind bekannt dafür, Licht effizient in Ladungen umzuwandeln, und Photokatalysatoren steuern die Ladungstransferprozesse, um Redoxreaktionen zur Bildung stabiler Produkte anzutreiben. Die photokatalytische organische Synthese ähnelt der Photoredox-Katalyse für die Koevolution von reduktiven und oxidativen Reaktionen vor Ort, produziert aber während der Koevolution oberflächengebundene organische Moleküle. Allerdings ist die Beziehung zwischen der Energetik und Kinetik des Chargetransfers und der Oberflächenreaktivität weniger bekannt, was das Design von Synthesewegen unter Verwendung von Photokatalysatoren einschränkt. Um diese Lücke zu schließen, untersuchte das Team eine Modellreaktion von photokatalytischen para-Xylol-Oxidation zur Herstellung von Terephthalsäure, angetrieben durch TiO2-beschichtete planare Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid-Halbleiter. Theoretische Berechnungen werden mit der gemessenen Energetik und Produktselektivität korrespondieren und die Reaktionswege an der Oberfläche aufklären. Die gemeinsamen Forschungsschwerpunkte umfassen i.) die Korrelation zwischen der Oberflächenchemie und der Lochtransfer-Energetik, ii.) die Koevolution zur Erreichung der Produktselektivität und iii.) die Implementierung des Dampfphasenreaktors. Diese disziplinübergreifende Untersuchung sollte zukünftige Arbeitskräfte in den USA und in Deutschland einbeziehen. Die einfache Reaktorimplementierung füllt die Lücke der Öffentlichkeitsarbeit für die chemische Die einfache Reaktorimplementierung füllt die Lücke der öffentlichen Aufklärung über die chemische Produktion und bereichert auch die interdisziplinären Ausbildungspläne im Rahmen dieses neu initiierten internationalen Outreach-Projekts.

Das Verbundvorhaben „Entwicklung von zukünftigen Solarzelltechnologien und -Materialien für Raumfahrtanwendungen (SMART)“ adressiert die Schlüsseltechnologien für die Herstellung von Raumfahrtsolarzellen der nächsten Generation, mit denen die Anforderungen künftiger Satellitenplattformen bzgl. Leistungssteigerung, Kosteneffizienz und Anwendungsvielfalt bedient werden können. Im besonderen Fokus der geplanten Technologie- und Materialentwicklung stehen metamorphe Halbleitermaterialien für Mehrfachsolarzellen mit hoher Strahlungshärte sowie die Verfahren zur Realisierung von ultraleichten Solarzellen und Solarzellenassemblies. Das Projektkonsortium besteht  aus der AZUR SPACE Solar Power GmbH (Projektleitung), den akademischen Partnern TU Ilmenau und Philipps-Universität Marburg sowie dem Fraunhofer ISE.

The aim of the DEPECOR project is to combine highly efficient multi-absorber structures in a systemic approach, with structures that have already been established in photovoltaics, where their critical interfaces and photovoltages will be adapted for CO₂ reduction, with specific corrosion protection layers and efficient catalysts specifically selected according to their material and shape. For the non-assisted, direct, sunlight-induced CO₂ reduction, the photoelectrochemical (PEC) cells must generate a photovoltage of approximately 3 V. This is possible with multiple absorber structures based on III-V semiconductors. These PEC cells consist of several stacked semiconductor structures (sub-cells) that absorb the light in different spectral ranges. Thus, an effective exploitation of the sunlight spectrum is achieved and the energy losses are significantly reduced compared to single absorber systems. The total voltage is composed of the sum of the voltages of each sub-cell and therefore sufficient to drive the chemical reactions directly.

The TU Ilmenau (TU-IL) group will develop and test integrated III-V semiconductor, photoelectrocatalytic half-cells. In order to increase the stability of the cells and enhance the performance, metal oxide protective layers will be deposited by atomic layer deposition (ALD) at the TU Munich (TUM) and the heterointerfaces will be examined in cooperation with TU-IL. Highly active catalysts will be developed at the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and integrated into the cell structure. The interaction of the photocathode with the electrolyte and the quantitative development of the reaction products will be measured at the TUM, HZB, TU-IL and at the Joint Center of Artificial Photosynthesis (USA). The project partner AZUR SPACE Solar Power GmbH (AZUR) will deliver suitable industrially scalable multi-absorber structures on germanium and III-V substrates, while the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) will develop the layer structures on silicon substrates. The associated partner École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) will investigate the activity of specific Cu catalysts and will support the modeling of the prototype of CO2 reduction systems for non-assisted fuel production. The project partner AZUR as well as the associated partners BASF and Evonik will advise the prototype development regarding the technology transfer in order to develop the planned commercial product.

Dieses Projekt befasst sich mit der Identifikation und Lokalisierung der Ursachen für die Begrenzung der optoelektronischen Leistungsdaten von Halbleiter-Nanodrahtstrukturen. Hierbei soll eine intensive Korrelation von makroskopischen Bauelementdaten mit räumlich sehr hoch aufgelösten Mikroskopiedaten erreicht werden. Die Bauelemente besitzen axiale und koaxiale Nanodraht-Homo- und -Heterokontakte zur Ladungstrennung, bestehend aus GaAs- und InGaP-basierten pn-Kontakten, die mittels MOVPE hergestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Grenzflächenformationen und Rekombinationspfaden soll durch eine Kombination von in-system Vier-Spitzen-Messungen, Rastersonden-Mikroskopie und optischen Methoden ermittelt werden. Dabei erfolgt eine lokale Erfassung der Strom-Spannungskennlinien an aufrecht stehenden axialen versus radialen Nanodrahtstrukturen sowie auch hochauflösende Rastertunnelmikroskopie. Die Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften erfolgt mit einem Streak-Kamera-System. Die messtechnische Erfassung und Lokalisierung stößt in Nanobauelementen inhärent auf Limitierungen, die daher mit Hilfe des Simulations-Softwarepakets Silvaco Atlas für eine physikalische Modellierung bearbeitet werden. Die Leistungsdaten bei der Ermittlung von Konversionseffizienzen werden unter Berücksichtigung der Generations- und Rekombinationsmechanismen sowie des Minoritäten- und Tunnel-Transportes über die Homo- und Hetero-Übergänge ermittelt.

Das Projektziel ist die Erfassung des qualitativen und quantitativen Zusammenhangs zwischen Nanodrahtwachstum, Bauelementdesign, Grenzflächenformation und Oberflächenpassivierung im Hinblick auf die Qualität von ladungstrennenden pn-Übergängen im Nanodraht. Hieraus sollen Konzepte vorgestellt und erprobt werden, die eine deutliche Steigerung der optoelektronischen Leistungsmerkmale bei der  Licht-Nanodraht-Wechselwirkung ermöglichen.

Dieses Projekt zielt darauf ab, die elektronische Struktur und die energetische Bandanordnung an den Heteroübergängen von photoelektrochemischen Mehrfachbauelementen aufzuklären. Das Verständnis der Bandenergiediagramme photoelektrochemischer Bauelemente in der Nähe des Elektrolyten hinsichtlich ihrer relativen energetischen Position sowie der Bildung elektronischer Oberflächenzustände wird dazu beitragen, die effizienzbegrenzenden Faktoren des Gesamtbauelements zu verstehen. Die Kopplung von Absorbern an chemische und elektronische Passivierungsschichten sowie an Co-Katalysatoren wird systematisch untersucht, vor allem mittels elektrochemischer Methoden in Verbindung mit Vakuum-Photoelektronenspektroskopie. Die Dichtefunktionaltheorie ermöglicht eine eingehende Interpretation der experimentellen Daten und liefert schließlich einen atomistischen Einblick in den Ursprung der energetischen Anordnungen. Da die elementaren Prozesse der Lichtabsorption, Ladungstrennung und -übertragung sowie der Mehr-Elektronen-Katalyse eng miteinander verknüpft sind, werden wir uns auf zwei etablierte Mehrfachzellen-Bauelemente zur Wasserspaltung konzentrieren, die bereits hohe Wirkungsgrade gezeigt haben, aber noch nicht an ihre physikalischen Grenzen gestoßen sind,  sowohl auf Silizium basierende Mehrfachzellen als auch auf III-V-Verbindungshalbleitern basierende Tandemzellen. Die hierauf identifizierten Wege zur Modifizierung der elektronischen Kopplung an den Heteroübergängen werden in enger Zusammenarbeit mit den anderen Partnern auch unter Betriebsbedingungen untersucht und bewertet. Für die langfristige Perspektive des Forschungskonsortiums wird dieses Projekt allgemeine Forschungsansätze liefern, die auf andere hocheffiziente Mehrfachzellensysteme übertragbar sind.

Ziel dieses Projekts ist es, die grundlegenden Prozesse zu verstehen, die die Elektronendynamik und -energetik prototypischer Photoelektrodenoberflächen, der damit verbundenen inneren Grenzflächen an Halbleiteroberflächen sowie verwandter Modellsysteme im Hinblick auf die photoelektrochemische Wasserstofferzeugung bestimmen. Die detaillierten Mechanismen der Elektronentransferprozesse an Grenzflächen und deren Dynamik sind bislang noch unzureichend erforscht. Wir schlagen vor, die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche von Absorbersystemen aus III-V-Verbindungshalbleitern gezielt zu modifizieren, um Mehr-Elektronen-Prozesse zu fördern. Zeitaufgelöste Zwei-Photonen-Photoemission (tr-2PPE) für eine explizit oberflächensensitive Analyse wird mit auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierenden numerischen Simulationen kombiniert, um ein grundlegendes Verständnis der wichtigsten Elektronentransfer- und Rekombinationsprozesse zu erlangen.  Tr-2PPE ist eine einzigartige Technik, mit der die kinetische Energie und die Dynamik photoemittierter Elektronen direkt untersucht werden und gleichzeitig die elektronische Struktur sowie die zeitliche Besetzung oberflächennaher Zustände erfasst werden. III-V-Verbindungshalbleiter dienen als relevante Modellsysteme zur Untersuchung der Grenzflächendynamik im Hinblick auf ausgewählte Verfahren zur Oberflächenmodifizierung. Zu den Möglichkeiten der Modifizierung von III-V-Oberflächen gehören das epitaktische Aufwachsen von Dünnschichten, die In-situ-Oberflächenumwandlung und die Abscheidung von Katalysatoren. Diese Methoden können quasi-zweidimensionale Überzüge erzeugen, um die Korrosion zu verlangsamen und die photokatalytische Aktivität zu steigern. Die Modifizierung mit solchen Oberflächenschichten ermöglicht die Steuerung der Elektronentransferdynamik durch selektive Modifikationen der elektronischen Struktur. Die Untersuchung verschiedener Arten der Oberflächenmodifikation wird es uns ermöglichen, ein allgemeines Bild davon zu zeichnen, wie das Grenzflächendesign den Elektronentransport zur katalytisch aktiven Oberfläche begünstigt. In der langfristigen Perspektive des Forschungskonsortiums wird dieses Projekt eine optimale Ladungstrennung und -übertragung für katalytische Prozesse mit mehreren Elektronen in den geplanten neuen Mehrfach-Absorbersystemen ermöglichen.

Die Integration von III-V-Halbleitern auf Silizium ist für eine neue Generation mikroelektronischer Leistungsbauelemente, hocheffiziente Mehrfachsolarzellen und photolytische Tandemabsorber zur erneuerbaren Wasserstofferzeugung wünschenswert. GaP/Si(001) ist der ideale Kandidat für generische, pseudomorphe virtuelle Substrate, mit denen komplexe Probleme im Zusammenhang mit der Heteroepitaxie von polaren auf unpolaren Substraten vor einer weiteren III-V-Integration überwunden werden sollen. Die Herstellung scharfer GaP/Si(001)-Grenzflächen ist daher der entscheidende technologische Schritt bei der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), da sie einen starken Einfluss auf die Qualität der anschließend gewachsenen Epitaxieschichten und die endgültige Leistungsfähigkeit der Bauelemente hat. Vorarbeiten haben gezeigt, dass Arsen hier von besonderem Interesse ist. Derzeit sind die Mechanismen der Grenzflächenbildung auf atomarer Ebene noch nicht vollständig geklärt, und die elektronische Struktur vergrabener Grenzflächen ist noch nicht aufgeklärt. In diesem bilateralen Projekt werden wir optische In-situ-Spektroskopie, laborbasierte sowie synchrotronbasierte Photoelektronenspektroskopie-Techniken, Tiefenprofilierung und ab initio-Berechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie (DFT) kombinieren, um ein umfassendes Verständnis der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von GaP/Si(001)- und GaP/Si(001):As-Heteroübergängen auf atomarer Ebene zu erlangen. Wir werden gezielte Modifikationen der atomaren Struktur vornehmen, um zu verstehen, wie die elektronischen Eigenschaften der Heteroübergänge gesteuert werden können. Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der Bildung von III-V/IV-Heteroübergängen zu erlangen, das direkte Auswirkungen auf Anwendungen in hocheffizienten Bauelementen hat.

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen.

Der im Fachgebiet vorhandene, kontaminationsfreie Transfer von MOCVD-präparierten Proben zu einem UHV-basierten Multi-Probe-STM gibt die Möglichkeit, individuelle Nanodrähte in vacuo („as-grown“) elektrisch zu charakterisieren. Dabei wird die Oberfläche der Drähte entweder rekonstruiert, Wasserstoff-terminiert  oder oxidiert sein. Diese Varianten sollten zu unterschiedlichen Oberflächenzustandsdichten führen, wodurch deren Rolle und Charakteristik erstmalig besser aufgedeckt werden kann. Um den Ladungsträgertransport über die Oberfläche zu ermöglichen, werden zunächst vollständig und partiell intrinsische GaAs-Nanodrähte hergestellt. Im ersten von zwei Arbeitspaketen sollen daher der Ladungsträgertransport in Nanodrahtstrukturen in Abhängigkeit der Oberflächenzustandsdichte (UHV-transferiert vs. oxidiert) dargestellt und genauer untersucht werden. Hierbei sind Experimente geplant, bei denen die Drähte mittels UHV-Transfer unter Ausschluss von Kontaminationen ausführlich elektrisch charakterisiert werden. Eine Modellierung soll zu einer Identifikation von relevanten physikalischen Parametern führen, welche dazu dienen, die Messergebnisse zunächst qualitativ und anschließend auch quantitativ nachzubilden. Für die Ladungsträgertrennung standardmäßig genutzte p-n-Übergänge sollen im zweiten Arbeitspunkt genauer untersucht werden. In axialer Ausrichtung wurden diese Kontakte in GaAs-Nanodrähten schon untersucht, jedoch ohne Oberflächenkontaminationen oder  -modifikationen zu berücksichtigen. In diesem Projekt sollen Nanodrähte mit axialem p-n-Übergang charakterisiert werden. Zur Verifizierung und Anwendung des zuvor untersuchten Mechanismus' wird zudem die Wechselwirkung der Nanodrähte mit Licht untersucht.

Im Fachgebiet Photovoltaik wird derzeit ein Großgerät in Betrieb genommen, mit dem Photolumineszenzmessungen an Halbleiterproben für die solare Energiekonversion ermöglicht werden. Photolumineszenz ist ein Prozess, bei dem nach Beleuchtung eines Halbleiters dieser wiederum Licht aussendet, das für seine optoelektronischen Eigenschaften charakteristisch ist. Die Effizienz dieses Prozesses ist direkt mit der Eignung des Materials für die solare Energiekonversion verknüpft. Bei dem neuen Messplatz handelt es sich um ein sogenanntes Streak-Kamera-System, dessen Hauptkomponenten ein Femtosekunden-Laser und eine Streak-Kamera sind. Es wird damit möglich, den zeitlichen Verlauf der Photolumineszenz mit hoher zeitlicher Auflösung, sowie auch spektraler Auflösung zu verfolgen. Der Messplatz stellt eine substanzielle Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten im Fachgebiet Photovoltaik dar und wird entscheidend zur Entwicklung von Halbleiter-Bauelementen der nächsten Generation beitragen. Das Großgerät wurde durch Mittel der EU und der DFG gefördert.

Ziel dieser Forschergruppe ist es, Standards und theoretische Modelle für die Bewertung und Charakterisierung von bifacialen Photovoltaikzellen und -modulen zu entwickeln. Bifaciale Solarmodule stellen eine weitere Variante in der Photovoltaikindustrie dar. Entsprechende Produkte von Thüringer Unternehmen stehen kurz vor der Markteinführung.

Das Forschungsprojekt ist in der RIS3-Strategie für Thüringen in das Spezialisierungsfeld „Nachhaltige Energie und Ressourcenverwendung" einzuordnen. Die Erarbeitung von Methoden für ein realitätsnahes Energierating mit Bezug auf die Modullebensdauer ermöglicht es zum einen Optimierungspotenzial in die Entwicklung, das Design und den Herstellungsprozess von bifacialen Solarmodulen einfließen zu lassen. Zum anderen ermöglichen die entwickelten Verfahren eine optimierte Anlagenauslegung und einen effizienten Betrieb von PV-Anlagen.

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen. 

III-V Mehrfachsolarzellen erreichen bei weitem die höchsten Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in elektrischen Strom von bis zu 38 %. Der Einsatz der III-V Halbleiter in photovoltaischen Flachmodulen schien bisher aufgrund hoher Herstellungs- und Substratkosten als höchst komplex und daher schwierig.

Die Verbundpartner am Fraunhofer ISE, der TU Ilmenau und der Universität Marburg konnten aber kürzlich zeigen, dass sich III-V Verbindungen mit hoher Qualität auch direkt auf Silicium abscheiden lassen. Nur wenige über 30 % auf Si zu realisieren. Die Kombination etablierter Silicium Solartechnologie mit den Vorteilen der III-V Halbleiter, eröffnet neue Optionen für höchsteffiziente Solarzellen und steht im Mittelpunkt des Projekts MehrSi. Durch eine Reduktion von Defektdichten und durch optimierte Solarzellenstrukturen sollen erstmals direkt auf Si gewachsene GaInP/GaAs(P) Mehrfachsolarzellen mit > 30 % Effizienz demonstriert werden.

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen.

AZURSPACE verfügt über langjährige industrielle Erfahrung in der Herstellung von Solarzellen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, insbesondere auf dem Gebiet der III-V-Verbindungen. 

Heteroepitaktische III-V-Halbleiterschichtsysteme auf Siliziumsubstraten versprechen sowohl bei der Entwicklung hocheffizienter Mehrfach-Solarzellen als auch bei der Integration optoelektronischer Bauelemente in Silizium-basierte Schaltungen ein hohes Anwendungspotenzial. Ein Durchbruch bei der breiten Umsetzung solcher Technologien scheiterte bislang allerdings an einer zu hohen Konzentration von Gitterfehlern in den heteroepitaktischen III-V-Schichten. In diesem Projekt soll mit Hilfe verschiedener, komplementärer Mikroskopieverfahren die kristalline Qualität von GaP-Schichten, die mit der industrierelevanten metallorganischen Gasphasenepitaxie auf einkristallinen Siliziumsubstraten abgeschieden werden, durch Quantifizierung und Charakterisierung solcher Kristallfehler sowie durch Entwicklung von Vermeidungsstrategien wie Substratkonditionierung verbessert werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Anwendung der sehr oberflächenempfindlichen niederenergetischen Elektronenmikroskopie, mit der es durch unterschiedliche Kontrastmechanismen möglich ist, solche Fehler in großen Probenbereichen auf mikroskopischer Längenskala ohne weitere Vorbehandlung der Proben zu detektieren, sowie dynamische Prozesse mit hinreichender Geschwindigkeit abzubilden. Zudem sollen im Mikroskop nachgestellte Teilschritte der Substratkonditionierung und Schichtpräparation insbesondere hinsichtlich des anfänglichen Schichtwachstums untersucht werden.

Im Projekt OptiSolar streben die Forscher an, den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen mit a-Si-Heteroemittern zu erhöhen, die Eigenschaften von a-SiNx-Antireflexschichten und der Grenzfläche zum c-Si sowie Grenzflächenprobleme zwischen Glassubstrat und Zwischenschichten bei laserkristallisierten Silizium zu optimieren. Am Ende ihrer Forschungen könnten sowohl die potenziellen Degradationsmechanismen verstanden und vermieden als auch die Effizienz verbessert und damit die Kosten gesenkt werden.

Im Verbundprojekt ‘Nanoskalige III-V / Silizium Heterostrukturen für hocheffiziente Solarzellen’ sollten zukunftsweisende Lösungen für Solarzellen erforscht werden, die Leistungsmerkmale konventioneller Einfachsolarzellen, welche dem Shockley-Queisser-Limit mit nur einem Absorbermaterial unterliegen, übertreffen.

Das Projekt zielt darauf ab, mithilfe einer Anlage zur metall-organischen Gasphasenabscheidung (MOVPE-Anlage) und spezieller Grenzflächenanalytik und Charakterisierung planare und vertikale, nanoskalige Strukturen aus III-V-Halbleiterverbindungen auf geeignet präparierte Siliziumsubstrate abzuscheiden.

Das Projekt gliedert sich in die folgenden Teilbereiche:

1. Präparation von Si-Substraten für Nanostrukturwachstum
2. Herstellung von planaren Quantentopfstrukturen auf Si-Substraten
3. Prozessierung und Charakterisierung von nanostrukturierten Solarzellkomponenten (mit Unterauftragnehmer CiS)
4. Grenzflächencharakterisierung von GaP/Si(111)
5. Vermessung von Nanostrukturen mit einem 4-Spitzen-Rastertunnelmikroskop