Optische Untersuchung von Nanostrukturen zur gesteigerten Lichtabsorption in Solarzellen

Abstract

In dieser Arbeit werden Nanostrukturen auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Dabei soll ihr Potential für eine gesteigerte Lichtabsorption in Solarzellen diskutiert werden. Be- trachtet werden metallische Nanoteilchen und ihre Licht-Materie Wechselwirkung. Zusätz- lich zur Lichtstreuung, die auch bei dielektrischen Teilchen auftritt, kann eine plasmonische Resonanz nachgewiesen werden. Für bestimmte Wellenlängen ist diese besonders ausge- prägt und weist ein charakteristisches Fernfeldverhalten auf. Die Silbernanoteilchen werden mit Hilfe der thermischen Entnetzung von dünnen Silberfil- men hergestellt. Diese Entnetzung ist zum Teil abhängig von der Methode des Aufbringens des Silberfilms wird aber von der Materialmenge und dem thermischen Prozess dominiert. Schichtdicke, Temperatur und Temperdauer stellen die Hauptparameter für die Erzeugung von stochastischen Teilchenverteilungen dar. Die Schichtdicke bestimmt die entstehende Teilchengröße und legt damit auch die Resonanzfrequenz der Teilchenverteilung fest. Es ist festzustellen, dass eine Temperatur um 500 °C bei einer Ausgangsschichtdicke von 45 nm zu einer Ausprägung von kugelförmigen und gleichgroßen Teilchen führt. Diese sind in der Lage nicht nur die Transmission und Reflexion eines Substrates zu verändern, sondern weisen auch eine charakteristische Streuung auf. Zufällig verteilte Sil- bernanoteilchen zeigen ein Streuvermögen mit sehr großem Streubereich, dabei ist die gemittelte Streuintensität der gemessenen Probenstelle über einen großen Winkelbereich und Wellenlängenbereich konstant. Allerdings ist die Gesamtstreuintensität teilweise nied- rig. Deshalb werden auch regelmäßige Siliziumoxidteilchen untersucht, die eine um den Faktor zehn höhere Streuintensität zeigen. Im Vergleich zu den dielektrischen Teilchen, lassen sich aber im Nahfeld plasmonische Verstärkungen gerade bei Edelmetallen wie Silber nachweisen. Dabei liegt die Herausforderung in der Komplexität der Messverfahren. In dieser Arbeit wird das optische Rasternahfeldmikroskop (SNOM) für die Untersuchung der lokalen elek- trischen Felderhöhung eingesetzt. Dabei werden die Messungen der optischen Informa- tionen im Beleuchtungs- und Sammelmodus in Reflexion und Transmission durchgeführt. Während weit separierte Teilchen eine eher gleich verteilte Nahfelderhöhung zeigen, wird bei stochastisch verteilten Silberteilchen die Erhöhung neben benachbarten Teilchen fest- gestellt. Um ein grundlegendes Verständnis für die Einflussfaktoren für eine SNOM Messung zu erhalten und die Auswertung zu unterstützen, wurden mit Hilfe der Methode der finiten Ele- mente Simulationen durchgeführt. Diese Simulationsmethode ist, durch die Zerlegung der Geometrie in kleinere Elemente, in der Lage numerische Berechnungen auch für komplexe realistische Messbedingungen durchzuführen. So konnten ganze Abrasterungen mit Son- de, Teilchen und Substrat simuliert werden. Die kritischste Größe ist bei einer Veränderung der Spitzenhöhe zu sehen, wenn diese den Kontaktmodus der Probe verlässt. Eine Ände- rung zwischen anderen Parametern oder der Gesamtgeometrie der Spitze, führt nicht zu einer Veränderung des detektierten optischen Effektes. Im Vergleich mit den realistischen Messungen lassen sich Übereinstimmungen feststel- len. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Verlauf der Feldverstär- kungen. Es wird gezeigt, dass die Interaktion zwischen Teilchen mit der Spitze und der Interaktion der Spitze mit sich selbst sensitiver ist, als angenommen.

In order to save material in solar cell applications, the scientific community and solar cell industry have moved towards increasingly thin absorber films with corresponding higher transmission losses. However, the main aim of research and development remains gaining efficiency. For this new nano optical concepts are required. In this work, the properties of nanostructures are studied. Therefore the near field and the far field behaviour has to be characterised. It is well known that nanostructures can scatter light and in addition, metallic nanostructures can also enhance the near field at certain wavelengths where they show plasmonic resonance. Silver particles can be produced by thermal annealing of thin silver films. The dewetting of such films will result in particles with a certain size, shape and nearest- neighbour dis- tribution. It is possible to adjust these parameters by choosing different film thicknesses, annealing temperatures and annealing times. With a temperature of 500 °C and a film thick- ness of 45 nm, spherical same size particles can be produced with a large distance between one another. The position of the typical plasmonic resonance in the reflection and transmission measu- rement was supplemented with an angle resolved scattering measurement. The stochastic distribution of silver nanoparticles shows a broad angle scattering over a long wavelength range. However, the total intensity is very low. Therefore, we investigated larger dielectric particles, which generate 10 times higher scattering intensity than the metallic structures for very specific scattering angles. The advantage of metallic particles is the near-field enhancement. The challenge of the near-field measurement lies in achieving a good near-field resolution in a complex measurement system. In this study, near-field optical microscopy is used to investigate the local field enhancement of interacting nano particles. For this, the measu- rement set-up was improved to get a deeper understanding of the optical imaging. In this experiment it was possible to measure all optical modes and sub modes simultaneously (il- lumination mode: reflexion and transmission, collection mode: reflexion and transmission). It can be shown that periodic silver nano particles develop a homogenous near-field enhan- cement around themselves. In comparison, random nanoparticles can form a much higher enhancement, when highly dense clusters are present. To gain a better understanding of how geometric factors can influence the SNOM measu- rement, we supported the evaluation of the near-field images with Finite-Element-Method (FEM) simulations. This simulation method deconstructs the simulation geometry in small elements and is able to solve wave problems even for complex structures. With this tech- nique, it was possible to simulate a realistic scan of a SNOM with probe, substrate and particle. The measurement height was considered the most critical parameter. Other para- meters such as the coating of the probe, aperture diameter or angle of the fibre will not affect the optical image significantly. Real measurements show good agreement with the realistic simulation. Although, the measurement is extremely sensitive to interactions between particle and the probe. With the data from far-field and near-field measurements, it can be concluded that silver nano particles exhibit high potential to be used as scatter and electric-field enhancers in solar cells.