04.04.2018

Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom umwandeln

Mehrfachsolarzelle auf Silizium­basis erreicht Wirkungs­grad von 33,3 Prozent.

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

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