Silicium-Solarzellen dominieren heute den Photovoltaik-Markt. Die Technologie nähert sich jedoch dem theoretisch maximalen Wirkungsgrad an, der mit Silicium als alleinigem Absorber-Material erreicht werden kann. Tandem-Solarzellen ermöglichen durch die Kombination von mehreren Absorber-Materialien eine deutlich bessere energetische Nutzung des Sonnenspektrums. Wissenschaftler am Fraunhofer ISE haben nun für eine Mehrfach-Solarzelle aus Silicium und III-V-Halbleitern einen neuen Wirkungsgrad-Rekord von 22,3 Prozent erzielt.
Mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleiter-Materialien versuchen Forscher, den (theoretisch) mit Silicium erreichbaren Wirkungsgrad von 29,4 Prozent zu übertreffen und damit die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom noch effizienter zu gestalten.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination von Silicium-Material mit III-V-Halbleiter-Verbindungen wie Galliumarsenid. Eine Realisierungsoption ist, die III-V Solarzellen-Strukturen auf teure Galliumarsenid-Substrate abzuscheiden und diese danach mittels der Halbleiter-Bonding-Technologie auf eine Siliciumsolarzelle zu übertragen und das Galliumarsenid-Substrat wegzuätzen.
Ein deutlich kostengünstiger Realisierungsweg ist ein direktes Wachstum der III-V Schichten auf die Siliciumsolarzelle. Hierzu ist es allerdings notwendig, die atomare Struktur sehr gut zu kontrollieren und zu erreichen, dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Weiterhin muss der Abstand der Atome im Kristallgitter vergrößert werden, um schließlich das Material Galliumarsenid herzustellen.
Eine der besten Solarzellen der Welt
An diesen Herausforderungen arbeiten die Forscher seit mehr als zehn Jahren. Nun ist es ihnen gelungen, die Defektdichten in den III-V Halbleiterschichten auf Silicium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si-Tandem-Solarzelle mit einem neuen Wirkungsgrad-Rekord von 22,3 Prozent herzustellen. Der Wert wurde am 25. Dezember 2018 in die international anerkannte Tabelle der besten Solarzellen der Welt aufgenommen.
„Wir freuen uns sehr über dieses schöne Ergebnis für das Direktwachstum von III-V-Halbleiter auf Silicium, ein sehr wichtiger Forschungsansatz für Tandem-Solarzellen“, sagt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. „Derzeit entsteht bei uns in Freiburg ein neues Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen, das ab 2020 unsere Arbeiten zu Tandem-Solarzellen beherbergen wird. Wir erwarten dann mit noch besserer technischer Infrastruktur eine Beschleunigung der Entwicklung von Mehrfach-Solarzellen auf Siliciumbasis.“
Zukunftsweisende Schlüsseltechnologie
Der Übergang zwischen dem Siliciumkristall und der ersten III-V-Halbleiterschicht aus Galliumphosphid wurde über die letzten Jahre in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Prof. Thomas Hannappel an der TU Ilmenau sowie Prof. Kerstin Volz an der Philipps Universität Marburg im Rahmen des Projekts MehrSi untersucht und immer weiter optimiert.
Zunächst wurden die Defekte in der Kristallstruktur sichtbar gemacht und anschließend Schritt für Schritt reduziert. „Die erreichte Effizienz unserer III-V/Si-Tandemsolarzelle zeigt, dass wir die Materialien mittlerweile sehr gut verstanden haben“, sagt Dr. Frank Dimroth, Leiter des Projekts MehrSi.
Das direkte Wachstum der III-V-Schichten auf Silicium erlaubt es, auf teure Substrate für die Epitaxie* zu verzichten, und ist daher eine Schlüsseltechnologie, um in Zukunft höchsteffiziente Tandem-Solarzellen kostengünstig herzustellen.
*kristalline Abscheidung auf einem anderen [gleichartigen] Kristall
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