Um die globale Herausforderung des menschengemachten Klimawandels zu bewältigen, muss unter anderem der Energiesektor eine grundlegende Transformation durchlaufen. Eine wichtige Säule dieser Transformation stellt die Stromerzeugung mithilfe von Photovoltaikmodulen dar. Mit zunehmender Produktion dieser wird sowohl unter dem Gesichtspunkt des sinkenden Kostenanteils der Solarzellen an den gesamten Installationskosten als auch unter dem der effizienten Nutzung endlicher Ressourcen die Effizienz der Zellen noch stärker als bisher an Bedeutung gewinnen. In dieser Entwicklung werden die physikalischen Limits der aktuell marktdominierenden Silizium-Einfachsolarzellen schnell erreicht sein. Perowskit-basierte Tandemsolarzellen stellen eine zukunftsfähige Alternative dar, mit der deutlich höhere Zelleffizienzen zu einem konkurrenzfähigen Preis erzielt werden können. Durch die Kombination einzelner Teilzellen zu einem Gesamtsystem entstehen bei dieser Technologie aber zusätzliche wissenschaftliche Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um ein marktfähiges Bauelement zu erhalten. Eine solche stellt das optische Design dar, das in dieser Anwendung zwei Aufgaben erfüllen muss: Zum einen müssen die einfallenden Photonen spektral selektiv auf die Teilzellen verteilt werden, um Thermalisierungsverluste zu vermeiden. Zum anderen ist es aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Elektronen-Loch-Paare im Perowskit essentiell, eine große Lichtwegverlängerung zu erreichen und damit möglichst dünne Teilzellen zu ermöglichen. In dem vorliegenden Promotionsvorhaben sollen ein solches optisches Design durch die Integration von Metaoberflächen in Tandemsolarzellen erreicht werden. Der Fokus liegt dabei einerseits auf einer selektiv reflektierenden Zwischenschicht in perowskit-basierten Tandemsolarzellen, es sollen aber auch Rückseitenreflektoren in Solarzellen und den im Wirkprinzip sehr ähnlichen Perowskit-LEDs betrachtet werden. Aus der Wirkung der Metaoberfläche in den verschiedenen Umgebungen soll in diesem Promotionsvorhaben ein tiefes physikalisches Verständnis für die optischen Wechselwirkungen und technische sowie elektronische Randbedingungen gewonnen werden und dieses schließlich gewinnbringend im Sinne einer Systemeffizienzsteigerung und vergleichbarer Ziele eingesetzt werden. 

Um diese Zielsetzung zu erreichen, soll die oben eingeführte Problemstellung sowohl modellbasiert als auch experimentell angegangen werden. Mithilfe von Simulationen soll, ausgehend von einer Literaturrecherche zu etablierten Metastrukturkonzepten, ein Modell etabliert werden, welches das optische Verhalten der Metaoberflächen in den betrachteten Bauelementen abbilden kann. Dieses soll dann genutzt werden, um die für den jeweiligen Anwendungszweck optimale photonische Struktur zu definieren. Die so gefundenen Strukturen sollen dann experimentell umgesetzt werden. Dafür sollen diese mithilfe von Interferenzlithografie- und Nanoimprintprozessen realisiert und in Zusammenarbeit mit weiteren Wissenschaftlern in Prozessketten integriert werden. Dabei wird zwischen Modellierung und experimenteller Umsetzung ein großer zeitlicher Überlapp bestehen, sodass im Experiment sichtbar werdende Randbedingungen und Wechselwirkungen mit dem Gesamtsystem wieder in die Modellierung einfließen können. Durch diese Rückkopplung soll sowohl das physikalische Verständnis für die bei der Integration auftretenden Interaktionen verstärkt, als auch eine Optimierung auf eine unter realen Bedingungen möglichst gut wirkende photonische Struktur ermöglicht werden.