Ein Element für gehobene Ansprüche

Wenn es bei Solarzellen vor allem auf Effizienz ankommt und nicht so sehr auf den Preis, ist Germanium besser geeignet als Silizium – zum Beispiel für Solarmodule im Weltraum.

Wenn Christiane Frank-Rotsch vom IKZ einen Kristall züchtet, sieht sie eine Woche lang nichts – außer der Temperaturverteilung im Inneren der Züchtungsanlage. Die wird ihr auf einem Bildschirm angezeigt. Wenn sie dann am Ende der Woche die Anlage öffnet, hofft sie, einen möglichst perfekten Germanium-Kristall herauszuholen. Und das gelingt ihr und ihren Kollegen mit der Zeit immer besser, nachdem sie immer wieder alle möglichen Parameter verändert hat.

„Germanium wird zwar nie eine solche Rolle spielen wie Silizium“, berichtet Frank-Rotsch, „aber dort, wo es auf feinste Qualität ankommt, wird es für Anwendungen interessant.“ Germanium ist teurer als Silizium, aber auch bei einigen Anwendungen Vorteile. So haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme einen Weltrekord für Solarzellen aufgestellt: Ihre Solarzellen mit sogenannten III-V- Mehrfachepitaxieschichten, aufgewachsen auf Germaniumsubstraten, erreichen einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent. Üblich sind derzeit deutlich unter 20 Prozent.

Im Rahmen des Projekts AvantSolar, in dem es vor allem um die Entwicklung von Solar-Silizium geht, entwickeln Wissenschaftler des IKZ am Rande auch ein neues Verfahren zur Züchtung von Germanium. Sie benutzen dabei die VGF-Methode. VGF steht für Vertical Gradient Freeze und bedeutet, dass ein Temperaturfeld elektronisch gesteuert von unten nach oben bewegt wird. Die Schmelze befindet sich dabei in einem Tiegel, ganz unten ist ein kleiner Germanium-Kristall, der so genannte Keim, der die Gitterstruktur vorgibt. Nun wird die Schmelze von unten beginnend langsam abgekühlt, so dass das erstarrende Material die Einkristallstruktur des Keims fortsetzt. Im Gegensatz zu anderen Verfahren bewegt sich hierbei nur das Temperaturfeld, der Tiegel und der wachsende Kristall bleiben unbewegt. So kommt es zu keinen Erschütterungen, die zu Unregelmäßigkeiten in der Struktur führen könnten.

Die VGF-Methode wurde am IKZ noch weiter perfektioniert: Die Wissenschaftler benutzen statt der üblichen Heizer-Module kombinierte Magnet-Heizer. Diese heizen und kühlen nicht nur im Inneren der Anlage, sondern sie bauen gleichzeitig ein wanderndes Magnetfeld auf. Damit lässt sich die Strömung in der Schmelze beeinflussen und die Wissenschaftler können die Eigenschaften des wachsenden Kristalls steuern. So soll beispielsweise die Grenze zwischen schon festem Kristall und noch flüssiger Schmelze möglichst eben sein, damit der Kristall in hoher struktureller Perfektion mit möglichst homogenen Eigenschaften wächst.

Bislang wird Germanium vor allem für Strahlungsdetektoren, Temperatursensoren und in der hochauflösenden Röntgenspektroskopie verwendet. Christiane Frank-Rotsch ist zuversichtlich: „Wenn wir gute Qualität züchten können, wird es auch eine Nische für Germanium in der Solarindustrie geben – auch wenn es nur in kleinen Mengen für die Nutzung im Weltraum sein wird, wo es nicht so sehr auf den Preis, dafür aber auf hohe Leistung ankommt. Mehrfach-Solarzellen auf Basis von Germanium-Substraten werden auch in der CPV verwendet, das heißt Concentrator Photovoltaik. Dabei wird das Sonnenlicht über Linsen auf kleinere Flächen gebündelt, daher braucht man dafür Hochleistungs-Solarzellen. Diese Technik wird in Zukunft vermutlich immer mehr Bedeutung erlangen.“

Forschungsverbund Berlin e.V.

AL