Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Aufenthalt im Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin
vom 30. September bis zum 11. Oktober 2002
Von Imke Flemming
PL-Labor (Photolumineszenz)
Im PL-Labor wird mit einem Argon-Ionen-Laser, dessen Hauptwellenlänge bei 514,5 nm liegt (2,41 eV), auf eine zu testende Solarzelle oder Schicht gestrahlt. Der Laser wird über einen Spiegel durch einen Chopper1) und eine Linse auf die Probe gelenkt. Das Licht, dass von der Probe abstrahlt, wird durch zwei Linsen auf den Eintrittsspalt eines Monochromators2) fokussiert. Dabei wird die Laserlinie, die an der Probenoberfläche reflektiert wird mithilfe eines Kantenfilters herausgefiltert, so dass lediglich das Lumineszenzlicht der Probe gemessen wird. Weiter geht es in den Photomultiplier3), der an den Lock-In-Verstärker4) und dieser an einen PC angeschlossen ist. Auf dem PC sind dann Spektren zu erkennen, die darstellen, wie die Photolumineszenz Intensität (nA) von der Energie (eV) abhängt.
Dieser Versuch wird zur Charakterisierung von Defekten durch Fremdatome oder fehlende Atome in Halbleitermaterialien genutzt. Die Messobjekte (im HMI: dünne Schichten für Solarzellen) werden durch den Laserstrahl angeregt. Die generierten Ladungsträger rekombinieren (zum Teil) unter Aussendung von Licht. Dieses Lumineszenzlicht wird bezüglich seiner spektralen Zusammensetzung und Intensität analysiert.
Die Messungen werden bei niedrigen Temperaturen gemacht (4-100 Kelvin), dieses ist notwendig um die thermische Gitterschwingungen im Halbleiter klein zu halten. Diese würde ansonsten dazu führen, dass die generierten Ladungsträger nicht-strahlend rekombinieren. (Mit Photolumineszenz misst man nur die strahlende Rekombination.)
Spektrale Quantenausbeute
Versuchsaufbau zur spektralen Quantenausbeute
Welcher Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums von der Solarzelle genutzt wird, hängt von dem jeweiligen Absorber ab. Der maximale theoretische Wirkungsgrad von ca. 30% wird nur von einem Material mit einem bestimmten Absorptionsverhalten erreicht. (Es sei denn, es werden eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet.)
Es ist das Ziel durch eine zielgerichtete Optimierung bei der Herstellung der Solarzellen die bis jetzt noch vorhandenen Verluste zu minimieren.
Bei der Messmethode der spektralen Quantenausbeute wird die Solarzelle mit monochromatischem (einfarbigem) Licht beleuchtet. Diese Messung wird dann für jede Wellenlänge aus dem Sonnenspektrum wiederholt. Pro einfallendem Photon (Lichtteilchen) entsteht im Idealfall ein Elektron-Loch-Paar. Damit trägt dieses Photon zum Photostrom bei (Quantenausbeute = 1). Dass die Quantenausbeute = 1 ist, kommt im Realfall nicht vor, da diese durch Verlustprozesse reduziert wird.
Verluste entstehen aus folgenden Gründen:
Das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope)
Bei diesem Versuch wird eine Probe unter einem Messkopf hindurchgefahren und dabei abgetastet. Die Probe befindet sich auf einem Probenhalter, der beweglich ist, und somit ist es möglich die Probe in X, Y und Z Richtung zu bewegen. Der Messkopf ist eine Art langer Balken, der an einer Seite befestigt ist und an dessen anderer Seite eine Spitze befestigt ist. Das lose Ende des Messkopfes wird mit einem Laser bestrahlt und spiegelt das Licht in einen Detektor. Wenn das Ende des Messkopfes sich durch den Kontakt mit der Probe verbiegt, verändert dies die Position des reflektierten Laserstrahles auf dem Detektor. Die Höhe des Probenhalters wird dann so verfahren, dass der Laserstrahl wieder auf die alte Stelle trifft. Mit den zu der jeweiligen Position (X,Y) gehörigen Höhen (Z) lässt sich ein 3-dimensionales Abbild der Probenoberfläche erzeugen. Da das äußerste Ende der Spitze des Messkopfes aus nur einem Atom besteht und der Balken sehr dünn ist, kann man einzelne Atome auf der Probenoberfläche erkennen.
Tast-Spitze
Beispiel eines Ergebnisses
(umso heller die Farbe, desto größer der Höhenunterschied)
Besonders bedanken möchte ich mich an dieser Stelle bei meinen Betreuern im HMI und den Organisatoren der Auricher Wissenschaftstage. Dieses Stipendium hat mir viel Spaß gemacht und mir bezüglich meiner Studien- und Berufswahl weiter geholfen.
Ich kann nur jedem empfehlen, der die Möglichkeit hat, diese auch wahrzunehmen. Man verzichtet zwar auf die Ferien, aber man bekommt die Chance, in einem angesehenem Institut ein Stipendium zu absolvieren, nicht jederzeit und vor allem nicht überall.
Chopper: Er sieht aus wie ein Ventilator. Entweder wird Licht durchgelassen oder es wird kein Licht durchgelassen, so dass der Lock-In-Verstärker ein Maß für den Messuntergrund (im Fall: Licht aus) hat, der nicht Lumineszenz der Probe (im Fall: Licht an) selbst ist.
Monochromator: Er dient dazu, dass nur das Licht einer Wellenlänge durchgelassen wird.
Photomultiplier: Er wandelt schwache Lichtsignale (z. B. Photonen) in einen nachweisbaren elektrischen Impuls um.
Lock-In-Technik dient dazu hoch sensitive Messungen von kleinen Messsignalen zu machen. Der Lock-In-Verstärker benötigt dabei immer eine Referenzfrequenz, die in unserem Fall vom Chopper gegeben wird (die Frequenz, mit der das Licht an- und ausgeschaltet wird).