Control of Upconversion Luminescence for Photovoltaics using Photonic Structures
Creators: name: Hofmann, Clarissa Lea Maja
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Hochkonversion
Photonische Strukturen
Upconversion
photonic structures

description: Der Prozess der Hochkonversion ist ein Ansatz zur Effizienz-Steigerung von Solarzellen. Photonen, deren Energie unterhalb der Bandlücke der Solarzelle liegt, können durch die Hochkonversion zur Stromerzeugung in der Solarzelle nutzbar gemacht werden. Bei der Hochkonversion werden mehrere niederenergetische Photonen absorbiert und ein hochenergetisches emittiert. Im Weiteren können photonische Strukturen die Eigenschaften von Lumineszenzphänomenen beeinflussen. Diese Möglichkeit ist insbesondere für nichtlineare Lumineszenzprozesse von Interesse, wie für die Photonen-Hochkonversion, und kann deren Effizienz erhöhen. Die Anpassung des Designs der photonischen Struktur im Hinblick auf eine Maximierung der Hochkonversions-Effizienz-Erhöhung, erfordert eine gezielte Designoptimierung, für welche bisher kein passendes Simulationsmodell in der Literatur zur Verfügung stand. Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines umfassenden theoretischen Modells zur Analyse der photonischen Effekte auf die Hochkonversionsdynamik, zudem die experimentelle Realisierung von photonischen Hochkonvertern und die Validierung des theoretischen Modells in weit gefassten Parameter-Scans. Zu diesem Zweck wird die Hochkonversionsdynamik in $\beta$-NaYF$_{4}$:Er$^{3+}$ untersucht und die potenzielle Erhöhung der Hochkonversionseffizienz durch die Einbettung des Hochkonverters in eine eindimensionale (1D) photonische Struktur. Diese photonische Struktur besteht aus alternierenden Schichten von Poly(methyl methacrylat) mit eingebetteten Hochkonverter-Nanopartikeln und einer Zwischenschicht mit höherem Brechungsindex. Das Modell beschreibt die photonischen Effekte der lokalen Energiedichteerhöhung und der modifizierten lokalen optischen Zustandsdichte auf die interne Hochkonversionsdynamik in einem Ratengleichungsmodell. Zudem berücksichtigt das Modell Produktionsungenauigkeiten über Monte-Carlo Simulationen. Die Analyse dieser Arbeit zeigt, dass der Effekt der modifizierten lokalen optischen Zustandsdichte in einem optimierten Design die Wahrscheinlichkeit von spontanen Emissionsprozessen derart beeinflussen kann, dass die maximal mögliche Hochkonversionsquantenausbeute (UCQY) signifikant erhöht wird, um 0.8% absolut für einen hochbrechendes Medium innerhalb der Bragg Struktur mit einem Brechungsindex von 1.8, und mehr für einen höheren Brechungsindex Kontrast. Darüber hinaus kann die Struktur angepasst werden, sodass durch die lokale Energiedichteerhöhung die maximale UCQY bereits bei einer deutlich niedrigeren einfallenden Bestrahlungsstärke auftritt. Um eine Validierung des Simulationsmodells durchzuführen, werden Bragg-Strukturen mit eingebetteten Core-Shell Hochkonverter-Nanopartikeln untersucht und in hoher Präzision experimentell hergestellt. Die simulierte Wirkung der lokalen Energiedichteerhöhung und der modifizierten lokalen optischen Zustandsdichte auf die interne Hochkonversionsdynamik ist in allen durchgeführten Parameter-Scans sichtbar. Insgesamt wurden 2480 verschiedene Paramter Kombinationen untersucht, in einem Scan der Bestrahlungsstärke, sowie der Anregungswellenlänge an 40 verschiedenen Proben-Designs. Die gemessene Erhöhung der Hochkonversionsphotolumineszenz (UCPL) beträgt 82$\pm$24% der simulierten Erhöhung, im Mittel der 2480 untersuchten verschiedenen Parameter-Kombinationen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen Bragg-Strukturen als sinnvoll und vielversprechend für photonische Hochkonverter für eine Anwendung in der Photovoltaik erscheinen, da i) die Menge des Hochkonverter-Materials flexibel angepasst werden kann und somit eine hohe Gesamtabsorption durch den Hochkonverter erreicht werden kann, ii) eine hohe UCPL Erhöhung von über 300-fach bei nur einer Sonne Bestrahlungsstärke erreicht werden kann, mit einer angenommenen Produktionsungenauigkeit von $\sigma$ = 1 nm, iii) Bei jeder Bestrahlungsstärke bis hinunter zu etwa 10 Sonnen, ein Bragg-Struktur-Design gefunden werden kann durch welches annähernd die maximal mögliche UCQY erreicht wird, iv) die spektrale Breite der Erhöhungseffekte angepasst werden kann, sodass der Kernbereich der Absorption des Hochkonverters in den Erhöhungsbereich fällt und v) eine effiziente Licht-Einkopplung bis hin zu hohen Einfallswinkeln von ca 30$^{\circ}$ möglich ist. Die Kernaussagen dieser Arbeit können auf jedes Hochkonvertermaterial mit einer ähnlichen Konfiguration von Energiezuständen angewendet werden. Die Analyse im Rahmen dieser Arbeit bezieht sich auf eine 1D photonische Struktur, kann allerdings auf jede photonische Struktur, auch 2D und 3D Designs angewendet werden. Daher eröffnet das validierte Simulationsmodell nun die Möglichkeit eine präzise Optimierung des Designs von photonischen Strukturen für diverse Hochkonverter-Materialien und Zielanwendungen durchzuführen.