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Institut
für
Physik
FORSCHUNG IM FACHGEBIET EXPERIMENTALPHYSIK I
Optische, elektronische und strukturelle Eigenschaften von Halbleiternanostrukturen und solaraktiven Schichten
Fachgebietsleiter Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerhard Gobsch
Anorganische Halbleiter
(Verbindungen der Gruppen III-V, I-III-VI2, II-IV-VI2)
zum Beispiel Gruppe-III-Nitridhalbleiter:
7.0
200
AlGaN
5.0
250
300
350
GaN
400
500
InGaN 600
800
infra-red
4.0 ultra-violet
3.0
visible
2.0
1.0
zum Beispiel optisch und strukturell anisotrope P3OT/P3HT-Schichten für polymere Solarzellen:
zum Beispiel Solarthermie
Motivation:
!InN, GaN, AlN und ihre Legierungen bieten ein einzigartiges
600
Potenzial zur Entwicklung optoelektronischer Bauelemente
(Lumineszenzdioden, Halbleiterlaser, Photodioden und leiter).
500
!Der Bandabstand lässt sich über die Zusammensetzung x
vom infraroten über den sichtbaren (blaugrüne Laser) bis in
den ultravioletten Spektralbereich durchstimmen.
Solar Spectrum AM 1.5
5
4 10
Absorption P3OT
Absorption P3HT
3 10 5
2 10
300
0.4
x
0.6
0.8
0
0
der Brechzahl bzw. der dielektrischen
Funktion über einen großen
Spektralbereich von großem
Interesse.
E
0
GaN
E
InN
0
E1
0
E
2
0
2
4
6
8
10
Photon Energy (eV)
0
8
Dichtefunktionaltheorie liefern die
Bandstruktur (Abb. links zeigt die für
InN) und die dielektrische Funktion.
4
E0
E3
0
E1
!Der Vergleich der Übergangsenergien
E2
an den van-Hove-Singularitäten
(E0..E3) mit experimentellen Werten ist
ein Gütekriterium des verwendeten
theoretischen Modells.
-4
-8
Γ
K
H
A
Γ
M
!die Polymere absorbieren Licht
1,00E-05
0,0E+00
1,00E-04
4.0
0.0
0,06
0,04
0,02
2
3
Photon Energy (eV)
Exponential Fit
("master curve")
3.5
4
0,00
3400
!die Anisotropie zeigt, dass die
Polymerketten überwiegend
parallel zum Substrat liegen
Aufschleuderfrequenz
variiert
Polymerkonzentration
variiert
Substrat variiert
Lösungsmittel variiert
3.0
2.5
5000
(100)
2.0
20
4000
40
60
80
100 120 140
Film thickness (nm)
160
400
2Θ(°)
20
0
S
S
0,15
Meßcontainer mit 3 Versuchskollektoren
Dynamische und statische Verfahren zur
Komponenten- und Systemcharakterisierung
(Wirkungsgrad von Kollektoren, Be- und Entladeverhalten bzw. Energiestrom von Speichern)
S
S
S
S
Erforderliche Meßdaten:
Klimadaten:
* Globalstrahlung horizontal
* Globalstrahlung in der Kollektorebene
* diffuser Anteil der Globalstrahlung
* Windrichtung und -geschwindigkeit
* Außentemperatur und Luftfeuchte
den optischen Eigenschaften und der Nanodomänenstruktur der Schichten wieder (wichtig für Solarzellen,
organische Feldeffekttransistoren...)
! Gezielt eingebrachte optische und strukturelle Anisotropie
Kollektor- und Speicherdaten:
* Durchfluß
* Ein- und Austrittstemperatur
* Druckverlust
* Temperaturprofile
vergrößert den Wirkungsgrad der Solarzelle
! flexible Polymersolarzellen haben derzeit einen
Wirkungsgrad bis zu 5%
Kooperationen:
Ambacher, ZMN TU Ilmenau
Scharff, Chemie TU Ilmenau
Sariciftci, LIOS Linz
Hinsch, ISE Freiburg
0,1
S
S
! die Anisotropie der langen Molekülketten findet sich in
Suski, Polish Academy of Science, Warzaw, Poland
Speck, University of California, Santa Barbara, USA
Schaff & Eastman, Cornell University, Ithaca, USA
0,05
25
Anwendung:
GaN
Reihe5
∆ T / (E instrahlung F läche) [K /W ]
S
15
Röhrenkollektor V iessm ann
F lachkollektor S E S OL S tandard
F lachkollektor V akuS ol
0,2
0
0
10
0,6
0,4
Die Punkte sind gemessene Stundenmittelwerte
eines Monats, die durchgezogenen Linien wurden
aus Datenblättern der Hersteller entnommen.
amorphous
halo
1000
5
1
Emission
GaN-basierende UV-Detektoren für die Siliziumtechnologie, UVSensI (TMWFK)
Ultra Violet Emitters based on (AlGaIn)N quantum structures for applications in bio-optics,
UVEGaN (eingereicht: 6. EU-Rahmenprogramm)
Bestimmung grundlegender Eigenschaften von epitaktischen InN-Schichten und InN/InNOHeterostrukturen (Gemeinschaftsantrag DFG, Einreichung Februar 2004)
Personenaustauschprojekte mit U St. Petersburg und BNTU Minsk
1400
Kollektorausgangstemperatur an einem typischen Sommertag
Wirkungsgrade von Testkollektoren in Abhängigkeit
von der Temperaturdifferenz bezogen auf die
Bestrahlungsstärke (Abb. rechts).
180
!Untersuchungen mittels Röntgenbeugung(Abb. links)
InGaN
Projekte:
2400
Wellenzahl (1/cm)
0,8
S
Kooperationen: Ambacher, ZMN der TU Ilmenau
Bechstedt, FSU Jena
Stutzmann, WSI der TU München
T = 73 °C
T = 121 °C
T = 193 °C
0,08
SimulatonMesung-
S
Aussagen über die elektronischen Eigenschaften der
aktive Zone bestehend aus Quantengräben bzw.
Quantenpunkten.
1,00E-06
Vergleich der gemessenen und der auf der Grundlage
der Konstruktionsparameter simulierten Kollektoausgangstemperatur (Abb. unten)
S
!Lumineszenz- bzw. Reflexionsexperimente erbringen
Solarselektive Schichten
- absorbieren gut im sichtbaren Spektralbereich
und
- reflektieren gut im infraroten Spektralbereich
mit E parallel zur Hauptkette
(200)
GaN: 44 nm
AlN: 58 nm
1,0E+08
c1
1
1
∗ε
λ5 (ec2 / λT − 1) Ω0
Spektrale Strahldichte von Absorberschichten
Vergleich von Experiment und Theorie (Abb. unten)
2000
21x
1,0E+13
ε2,
zeigten, dass sich Nanodomänen mit der unten
dargestellten Anordnung der Polymere ausbilden
erfordert die Kenntnis der dielektrischen Funktionen aller
Schichten der Resonatorstruktur (Wellenleiter oder
Bragg-Spiegel).
L(λ, T ) =
Wellenlänge (m)
0.60
0.5
3000
!Die Entwicklung und Optimierung von Halbleiterlasern
2,0E+08
2,
1.0
4.5
A
L
2,0E+13
0,10
ε2 I : Absorption von Licht mit E senkrecht zum Substrat
ε2||: Absorption von Licht mit E parallel zum Substrat
wesentlich von der Schichtdicke
des Films und den Herstellungsbedingungen ab (Abb. und
Legende rechts)
!Theoretische Berechnungen mittels
1.5
Imaginärteil der dielektrischen Funktion ε2 ermittelt
(Abb. rechts)
!die optische Anisotropie hängt
2
4
6
8
10
Photon Energy (eV)
ε
Filmen mittels Spektralellipsometrie
!die optische Anisotropie A der Filme wird aus dem
wurden z.B. die dielektrischen
Funktionen der binären hexagonalen
Nitridhalbleiter bestimmt (Abb.links).
Die Daten > 5 eV wurden am BESSY
gemessen.
E3
Spektrale Strahldichte der Sonne im Vergleich zu
einem schwarzen Strahler bei 200 °C nach dem
Planckschen Strahlungsgesetz (Abb. links)
0,0E+00
1,00E-07
2.0
1.90
!Bestimmung der dielektrischen Funktion von P3OT-
!Mittels spektraler Ellipsometrie
E0
3,0E+08
optischen Eigenschaften und die Nanodomänenstruktur der
Schichten?
4
!Unter anderem ist die Bestimmung
AlN
GaN
InN
AlN
2
3
Photon Energy (eV)
Entwicklung solarselektiver Schichten
aufgrund ihrer Absorptionsspektren aussichtsreiche
konjugierte Polymere für die polymere Solarzelle (Abb. links)
5
!Wie beeinflusst die Anisotropie der langen Molekülketten die
1.0
!
T = 473 K
!Poly(3-Oktylthiophen) und Poly(3-Hexylthiophen) sind
1 10
Optimierung des Wirkungsgrades von Solarkollektoren
Sonne T = 5800 K
herstellbar (mittels Drucktechnik) und flexibel
5
!
3,0E+13
!polymere Solarzellen sind kostengünstig aus der Lösung
1
E
elektronischen Eigenschaften von Halbleitern mit den
typischen Eigenschaften der Kunststoffe (Löslichkeit,
Elastizität, Viskosität...)
100
0.2
Motivation:
!konjugierte Polymere vereinigen die optischen und
400
200
InN
0
Solartechnische Komponenten und Systeme
(Solarthermie und Photovoltaik)
Motivation:
AlN
6.0
0
Organische Halbleiter
(Polymer- und Polymer/Nanokohlenstoff-Schichten)
Sensfuss,TITK Rudolstadt
Klemm, org. Chemie FSU Jena
Brabec, Siemens AG Erlangen
Stühn, Polymerphysik TU Darmstadt
Projekte:
Netzwerk Polymere Solarzelle (BMBF)
Org. Mischschichten für Solarzellen, ORSOL (TMWFK)
Organisolar (EU, 1. Antragsstufe bewilligt)
Anisotrope Funktionspolymerkomposite (DFG, beantragt)
Kooperationen:
Ersol Solar Energy AG Erfurt
SESOL Gesellschaft für solare Systeme mbH Langewiesen
SOLA.r Jena GmbH Jena
Solar Input
Projekte:
Solarthermie
Thüringer Forschungsschwerpunkt Solartechnik
Graduierungsarbeiten