Eine Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis erreicht einen neuen Effizienzrekord. Hierfür übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V Halbleiterschichten auf Silicium.
Das Ergebnis übersteigt sogar die theoretische Wirkungsgradgrenze reiner Siliciumsolarzellen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, kurz ISE, kooperierten dafür mit der österreichischen Firma EV Group. Die neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis kommt mit nur zwei Kontakten aus.
Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Dabei werden Oberflächen nach einer Plasmaaktivierung im Vakuum unter Druck miteinander verbunden. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silicium eingehen. Für eine derartige vollständig integrierte Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis stellt der erzielte Wirkungsgrad ein erstmaliges Ergebnis dar. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.
Übereinander gestapelte Teilzellen
„Wir arbeiten daran, die theoretischen Grenzen von Siliciumsolarzellen zu überwinden“, sagt Frank Dimroth, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE. Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit einer Fläche von vier Quadratzentimetern wurde im Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE vermessen und weist eine Effizienz von 30,2 Prozent für die Umwandlung des einfallenden Lichts in elektrische Energie auf. Die bislang höchste Effizienz einer reinen Siliciumsolarzelle liegt bei 26,3 Prozent und das für Silicium theoretisch berechnete Limit bei 29,4 Prozent.
Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silicium (Si) auf, welche intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die GaAs-Zelle zwischen 500 und 890 nm und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 nm. Die III-V Schichten wurden zunächst auf einem GaAs Substrat abgeschieden und dann auf eine speziell angepasste Siliciumsolarzellenstruktur gebondet. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, die Zelle mit Vorder- und Rückkontakt sowie einer Antireflexbeschichtung versehen.
Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle müssen die Kosten der III-V Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silicium weiter gesenkt werden. Hier liegen die künftigen Herausforderungen für die Forscher. (nhp)
