Forscher des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben den Wirkungsgrad für monolithische Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silizium weiter erhöht. 34,1 Prozent erreichte die durch Waferbonden im Labor hergestellte Zelle.
Mehrfachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silizium nutzen das Sonnenspektrum energetisch deutlich besser aus als konventionelle Siliziumsolarzellen. Dieser Effekt entsteht durch die Kombination von mehreren Absorbermaterialen. Nun haben Forscher am Fraunhofer ISE einen neuen Wirkungsgradrekord für solche Zellen erreicht – stolze 34,1 Prozent wurden bei einer durch Waferbonden hergestellten monolithischen Mehrfachsolarzelle gemessen.
Die in einem anderen Verfahren mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten hergestellte Zelle erreichte ebenfalls einen Rekordwert von 24,3 Prozent.
Monolithische Mehrfachsolarzellen gelten als Hoffnungsträger für die Weiterentwicklung der heute dominierenden Siliziumsolarzellen, weil sich mit ihnen deutlich höhere Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom realisieren lassen. Institutsleiter Andreas Bett hält Wirkungsgrade von 36 Prozent für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Siliziumsolarzelle von 29,4 Prozent deutlich übertroffen wird.
Für die hocheffiziente Mehrfachsolarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Siliziumsolarzelle aufgebracht. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid zwischen 300 - 660 nm (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid zwischen 600 - 840 nm (nahes Infrarotlicht) und Silizium zwischen 800 - 1200 nm (längerwelliges Licht). So können die Wirkungsgrade von Siliziumsolarzellen signifikant gesteigert werden. Da sie wie eine normale heutige Siliziumsolarzelle über jeweils einen Kontakt auf Vorder- und Rückseite verfügen, lassen sich die Solarzellen leicht in Solarmodule integrieren.
Gebondete Mehrfachsolarzelle: 34,1 Prozent Wirkungsgrad
Für die monolithische Mehrfachsolarzelle kommt das aus der Mikroelektronik bekannte Verfahren des direkten Waferbondens zum Einsatz. Dafür werden in einem ersten Schritt die III-V-Schichten auf einem Gallium-Arsenid-Substrat abgeschieden. Anschließend werden die Oberflächen in einer Kammer unter Hochvakuum mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und unter Druck miteinander verpresst. Die Atome der III-V-Halbleiterschichten gehen Bindungen mit dem Silizium ein und bilden eine Einheit. Verschaltet sind die übereinander gestapelten Teilzellen aus GaInP, AlGaAs und Silizium durch Tunneldioden. Anschließend wird das GaAs-Substrat nasschemisch entfernt und ein nanostrukturierter Rückseitenkontakt sowie eine Antireflexbeschichtung und ein Kontaktgitter auf der Vorderseite aufgebracht.
Gegenüber früheren Ergebnissen wurden die Abscheidebedingungen noch einmal verbessert und eine neue Zellstruktur für die oberste Teilzelle aus Gallium-Indium-Phospid eingeführt, die das sichtbare Licht noch besser wandelt. Mit 34,1 Prozent zeigt die Zelle nun das enorme Potenzial dieser Technologie. Der bisherige Weltrekord für diese Zellklasse lag bei 33,3 Prozent.
Mehrfachsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten: 24,3 Prozent Wirkungsgrad
Eine andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten (GaInP/GaAs) auf die Siliziumsolarzelle. Dieses Verfahren erfordert deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teureren GaAs-Substrats, weshalb es für eine industrielle Umsetzung der Technologie vorteilhaft ist. Allerdings muss die atomare Struktur sehr gut kontrolliert werden, so dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silizium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Auch können Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen. Das Potenzial entspricht jedoch demjenigen der wafergebondeten Zellen. (PF)
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