Solarzellen aus Silizium dominieren heute den globalen Photovoltaikmarkt mit einem Anteil von etwa neunzig Prozent. Forschung und Industrie arbeiten sich mit neuen technologischen Entwicklungsschritten an die theoretische Wirkungsgradgrenze des Halbleitermaterials Silizium heran. Gleichzeitig gehen sie neue Wege, um eine neue Generation von noch effizienteren Solarzellen zu entwickeln.
Abb.: Mehrfachsolarzelle aus III-V-Halbleitern und Silizium, die 33,3 Prozent des Sonnenlichts in Strom wandelt. (Bild: D. Mahler, Fraunhofer-ISE)
Forscher des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann. Die hohe Umwandlungseffizienz der Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis erreichten die Forscher durch 0,002 Millimeter dünne Halbleiterschichten aus III-V-Verbindungshalbleitern, die auf eine Siliziumsolarzelle aufgebracht werden. Das sichtbare Licht wird effizient in einer ersten Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert, das nahe Infrarotlicht in Galliumarsenid und längerwelliges Licht schließlich in Silizium. So können die Wirkungsgrade heutiger Siliziumsolarzellen signifikant gesteigert werden.
Bereits im November 2016 hatten die Forscher des Fraunhofer-ISE mit ihrem Industriepartner EVG einen Wirkungsgrad von 30,2 Prozent demonstriert und diesen im März 2017 auf 31,3 Prozent erhöht. Nun konnten sie die Lichtabsorption und die Ladungstrennung im Silizium noch einmal deutlich verbessern und damit den neuen Rekordwert von 33,3 Prozent erzielen. Die Rekordzelle mit dem neuen Ansatz gleicht von außen einer herkömmlichen Solarzelle mit zwei Kontakten und kann somit leicht in Photovoltaikmodule integriert werden.
Zur Herstellung der Mehrfachsolarzelle übertrugen die Forscher 1,9 Mikrometer dünne III-V-Halbleiterschichten auf Silizium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Die Oberflächen wurden in einer Hochvakuumkammer im mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und anschließend unter Druck miteinander verpresst. Es entstand eine Einheit, indem die Atome der III-V-Oberfläche Bindungen mit dem Silizium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliziumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.
Die Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid und Silizium auf, die intern durch Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 Nanometern, die GaAs-Zelle zwischen 500 und 890 Nanometern und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 Nanometern. Die III-V-Schichten wurden zunächst auf einem GaAs-Substrat epitaktisch abgeschieden und dann auf eine speziell angepasste Siliziumsolarzellenstruktur gebondet. Hierbei wurden auf der Vorder- und Rückseite des Siliziums tunneloxidpassivierte Kontakte aufgebracht. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, ein nanostrukturierter Rückseitenkontakt zur Weglängenverlängerung des Lichts aufgebracht sowie ein Vorderseiten-Kontaktgitter und eine Antireflexbeschichtung.
Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si-Mehrfachsolarzelle müssen die Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silizium weiter gesenkt werden. Hier liegen große Herausforderungen, die die Forscher in zukünftigen Entwicklungsvorhaben im neu entstehenden Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen lösen wollen. Dort sollen sowohl III-V- als auch Siliziumtechnologien der nächsten Generation entwickelt werden. Zielsetzung ist es, in Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als dreißig Prozent Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Fh.-ISE / RK
