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Institut für Energie- und Klimaforschung
IEK-5 Photovoltaik

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Simulation mesoskopischer Photovoltaik

Die elektronischen und optischen Eigenschaften von Materialien ändern sich, wenn sich die räumliche Ausdehnung der charakteristischen Strukturen in der Grössendordnung der Wellenlängen von Elektronen und Photonen bewegen. In diesem mesoskopischen Bereich werden die Zustände des Bauelements, deren Dichte sowie Besetzung durch elektronische oder optische Einschränkung beeinflusst, was wiederum weitreichende Auswirkungen auf die Dynamik der photovoltaischen Kernprozesse Ladungsträgergeneration, -rekombination und -transport hat. Daraus resultierende Abweichungen von der Physik des Volumenmaterials umfassen u.a. nicht-klassische Bauelementregionen mit reduzierter Zustandsdichte, Tunnelbeiträge zum Ladungsträgertransport oder Resonanzstrukturen in der spektralen Dichte von Ladungsträgern und Strömen. Zur Simulation solchen Verhaltens sind Ansätze erforderlich, welche über die Möglichkeiten des konventionellen semiklassischen Drift-Diffusions-Bildes hinausreichen. Am IEK-5 wird zu diesem Zwecke ein quanten-kinetischer Ansatz entwickelt auf der Basis des Nichtgleichgewichts-Greensfunktionenformalismus, womit ein mächtiges Instrument zur Behandlung der Eigenschaften mesoskopischer Photovoltaik zur Verfügung gestellt wird. Aktuelle Anwendungen dieses forschrittlichen Ansatzes konzentrieren sich auf die Rolle von Kontakten und eingebauten Feldern in ultra-dünnen Solarzellen [1,2] sowie auf die photovoltaische Reziprozität in mesoskopischen Systemen [3].

[1] U. Aeberhard, “Simulation of Ultra-thin Solar Cells Beyond the Limits of the Semi-classical Bulk Picture“, IEEE J. Photovolt. 6, 654 (2016)

[2] U. Aeberhard, “Impact of built-in fields and contact configuration on the characteristics of ultra-thin GaAs solar cells“, Appl. Phys. Lett. 109, 033906 (2016)

[3] U. Aeberhard and U. Rau, “Microscopic Perspective on Photovoltaic Reciprocity in Ultrathin Solar Cells“, Phys. Rev. Lett. 118, 247702 (2017)


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