Abteilung Solarenergieoptik

Methoden

• Nanoprägelithographie
• Optische Simulationen

Nanoprägelithographie

Abb. 1 Mit Hilfe eines PDMS Stempels wird eine Textur auf ein Glassubstrat übertragen, das mit Silikagel beschichtet ist .

 

Bei der Nanoprägelithographie (NIL – engl. Nanoimprint Lithography) handelt es sich um eine Methode zur Oberflächentexturierung, welche erstmals 1996 von Prof. Stephen Chou und Kollegen eingeführt wurde [1,2]. DieseTechnologie brachte Verbesserungen in verschiedensten Forschungsgebieten mit sich, weshalb sie 2003 vom Massachusetts Institute of Technology als eine der 10 wichtigsten aufkommenden Technologien mit weltweitem Einfluss gelistet wurde [3]. Tatsächlich ermöglicht diese Methode nicht nur eine ultra-hohe Auflösung (bis zu 5 nm), sondern ist gleichzeitig kosteneffektiv und leicht anzuwenden. Daher findet diese Technologie auch bei der Realisierung von Hochskalierungsprojekten von industriellen Großanlagen Anwendung.

Nanoprägelithographie basiert auf einem einfachen Prinzip. Von einer nanotexturierten Vorlage oder Masterstruktur (z.B. ein texturierter Silizium-Wafer) wird ein Stempel, welcher aus einem thermisch härtenden Polymer besteht, genommen. Der Polymer-Stempel enthält demnach die inverse Struktur des Masters. Dieser Stempel kann nun dafür verwendet werden, die Struktur auf ein (Glas-) Substrat zu übertragen, welches zuvor mit einem unter UV-Licht härtenden Polymer beschichtetet wurde. Demnach entspricht die Textur auf dem Substrat einem Replikat der Masterstruktur. Diese Anwendung der NIL-Methode wird auch als UV-NIL bezeichnet.

Gegenüber anderen NIL-Methoden hat UV-NIL den Vorteil, bei Raumtemperatur durchgeführt werden zu können, wodurch eine noch einfachere und schnellere Herstellung von texturierten Substraten ermöglicht wird. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass der Stempel transparent für UV-Licht sein muss, da dieses zur Aushärtung des Polymers durch den Stempel hindurch gelangen muss. Ein geeignetes Polymer für einen Stempel, der diese Bedingung erfüllt, ist Polydimethylsiloxan, kurz PDMS. Dieses Material ermöglicht eine Texturierung mit sehr hoher Auflösung und lässt sich wegen seiner geringen Oberflächenenergie leicht von der Masterstruktur ablösen.

Abb. 2 PDMS-Stempel unter einem Lichtmikroskop, welcher drei Replikate (je 6x8 mm²) von hexagonalen Gittertexturen mit Perioden zwischen 600 nm und 800 nm enthält. 

In unserer Abteilung verwenden wir die UV-NIL Technologie zur Herstellung von nanostrukturierten Glassubstraten. Dafür werden diese mit einem UV-härtenden Hybridpolymer beschichtet, welches mit Hilfe eines PDMS-Stempels texturiert wird. Diese Methode gibt uns bei der Texturierung der Glassubstrate eine hohe Kontrolle und Flexibilität, beispielsweise bezüglich der Periode, des Durchmessers (im Falle von Nanozylindern oder Nanolochstrukturen) oder der Höhe der zu übertragenden Struktur. Diese Silikagel-Texturen werden bei der Entwicklung und Untersuchung von Silizium-basierten neuartigen Nanostrukturen zum Lichteinfang in Dünnschichtsolarzellen oder photonischen Kristallen verwendet.

Optische Simulationen

Numerische und experimentelle 1-R Spektren von sinusoidal-texturierten Schichtsystemen;  die hexagonalen Texturen haben 750 nm Periode. Die numerischen Ergebnisse wurden mit zwei Korrekturen berechnet, die sich unterscheiden, da nicht alle Beugungsordnungen in Glas in Luft propagieren können. Simulationsdaten sind für zwei Einfallswinkel gezeigt: θ_in = 0° (dünne Linien) und θ_in = 8° (dicke Linien). Die experimentellen Daten wurden für θ_in = 8° gemessen [5].

Numerische Methoden helfen bei der Entwicklung effektiver Lichtmanagement Architekturen, welche die Leistung von Solarzellen erhöhen. Wir setzen vor allem auf den state-of-the-art zeitharmonischen Finite Elemente Löser JCMsuite, welcher von der JCMwave GmbH entwickelt wird, einer Ausgründung des Zuse Institute Berlin (ZIB). Die Stärke der Finite Elemente Methode (FEM) und der JCMSuite Software sind die herausragende Genauigkeit und Konvergenz, welche vergleichbare Methoden, wie z.B. FDTD, in verschiedenen Benchmarks übertreffen [1].

Die Abteilung Solarenergieoptik ist ein Gründungsmitglied des Berlin Joint Lab for Optical Simulations for Energy Research (BerOSE), welches vom HZB, dem ZIB und der Freien Universität Berlin 2014 gegründet wurde. BerOSE bietet ein ideales Biotop für den Austausch von Experten in 3D-optischen Simulationen mit Wissenschaftler*innen, die in der Synthese von nanostrukturierten Materialien für Photovoltaik, Energiespeicherung oder Photonik arbeiten.

Wir benutzen 3D-optische Simulationen vor allem zum Studium von nanophotonischem Lichteinfang für hoch-effiziente Dünnschicht-Silizium-Solarzellen und zur Untersuchung großflächiger photonischer Kristalle. Des Weiteren tragen wir mit unserer numerischen Expertise zum Helmholtz Innovation Lab HySPRINT bei.

Neben rigorosen Lösern der Maxwellgleichungen, die vor allem zum Studium periodischer Architekturen geeignet sind, haben wir auch umfangreiche Erfahrungen in anderen Simulationsmethoden aufgebaut. Darunter sind die Net-Radiation Methode zum Studium planarer Schichtsysteme [2,3]. Diese kann mit der skalaren Streutheorie für nicht-periodische Nanotexturen [4] und Raytracing für große streuende Strukturen erweitert werden.