Vierfach-Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad
Neue Produktionstechnologie ermöglicht zukünftig Wirkungsgrade bis zu fünfzig Prozent unter konzentriertem Licht.
In einem Industrieprojekt mit der französischen Firma Soitec arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg gegenwärtig an einer neuen Generation von Mehrfach-Solarzellen, die das Potenzial haben, in Zukunft Wirkungsgrade bis zu fünfzig Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht zu erreichen. Hierzu setzten die Forscher anstelle der bisher gängigen Dreifach-Solarzellen, die aus Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems bestehen, nun erstmals Vierfach-Solarzellen ein. Dabei werden zunächst zwei Tandemzellen separat auf unterschiedlichen III-V-Substraten abgeschieden und anschließend durch das Wafer-bond-Verfahren so fest miteinander verbunden, dass die Grenzfläche den Stromfluss durch die Vierfach-Solarzelle erlaubt. Mehrfach-Solarzellen finden ihren Einsatz in Konzentratorphotovoltaik-Kraftwerken.
Abb.: Solarzellenwafer mit Vierfach-Konzentratorsolarzellen und Teststrukturen (Bild: Fh.-ISE)
„Wir freuen uns sehr über den gemeinsamen Erfolg einer 43,6-Prozent-Solarzelle, den wir mit Hilfe der Technologie des Wafer-bondens erzielen konnten. Dieses Verfahren erlaubt es uns, die besten III-V-Halbleitermaterialien miteinander in einer Solarzelle zu vereinen und so den Übergang zu einer neuen Generation besonders hocheffizienter Mehrfach-Solarzellen zu realisieren“, sagt Frank Dimroth vom Fraunhofer-ISE. „Dabei kombinieren wir Kristalle miteinander, die eigentlich nicht zueinander passen und daher mit herkömmlichen Verfahren auch nicht mit hoher Qualität direkt aufeinander abgeschieden werden können.“ Das Wafer-bonden stellt ein zentrales Know-How der französischen Firma Soitec und des Entwicklungspartners CEA-Leti dar, denen es gelang, das Verfahren so weiterzuentwickeln, dass die spezifischen Anforderungen der Solarzellenanwendung erfüllt sind. Hierbei spielen neben einer hohen Stabilität insbesondere optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit eine große Rolle.
Das Ergebnis dieser deutsch-französischen Zusammenarbeit ist eine Vierfach-Solarzelle, die einen herausragenden Wirkungsgrad von 43,6 Prozent bei 319-facher Konzentration des Sonnenlichts erreicht. Bei einem Konzentrationsfaktor zwischen 250 und 500 Sonnen liegt der Wert durchgehend über 43 Prozent. Erstmals wurde ein derartig hoher Wirkungsgrad mit einer Solarzelle aus vier in Serie verschalteten pn-Übergängen nachgewiesen.
Abb.: Externe Quanteneffizienz der Vierfach-Solarzelle. Die Messungen wurden am Fraunhofer-ISE CalLab durchgeführt. (Bild: Fh.-ISE)
Die Mehrfach-Solarzellen sollen in den photovoltaischen Konzentratormodulen der Firma Soitec zum Einsatz kommen. Die Technologie wird weltweit in Solarkraftwerken an Standorten mit besonders hoher Sonneneinstrahlung eingesetzt.
Fh.-ISE / AH
