Eine Mehrfachsolarzelle auf Silizium-Basis mit nur zwei Kontakten, die die theoretische Wirkungsgradgrenze reiner Siliziumsolarzellen überschreitet, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme gemeinsam mit der österreichischen Firma EV Group hergestellt. Dafür übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V-Halbleiterschichten auf Silizium. 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 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.
Abb.: Gebondete III-V/Si-Mehrfachsolarzelle mit 30,2 Prozent Wirkungsgrad. (Bild: A. Wekkeli, Fh.-ISE)
„Wir arbeiten daran, die theoretischen Grenzen von Siliziumsolarzellen 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 Siliziumsolarzelle liegt bei 26,3 Prozent und das für Silizium theoretisch berechnete Limit bei 29,4 Prozent.
Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid und Silizium auf, die intern durch Tunneldioden verschaltet sind. „Ein Schlüssel zum Erfolg war es, eine Prozesskette zu entwickeln, die sowohl eine ausreichend glatte und partikelfreie Silizium-Oberfläche bereitstellt als auch die unterschiedlichen Bedürfnisse von Silizium und III-V-Halbleiter berücksichtigt“, sagt Jan Benick, Teamleiter am Fraunhofer-ISE.
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 Fraunhofer-Forscher in zukünftigen Entwicklungsvorhaben in ihrem neu entstehenden Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen lösen wollen. Dort sollen sowohl III-V- als auch Si-Technologien der nächsten Generation entwickelt werden. Zielsetzung ist es, in Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als dreißig Prozent Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Fh.-ISE / RK
