16.11.2016

Mit zwei Kontakten zum Rekord

Mehrfachsolarzelle auf Silizium-Basis erreicht Wirkungs­grad von 30,2 Prozent.

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

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