Effizienter im Tandem

  • 10. January 2019

Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis mit neuem Wirkungsgradrekord.

Siliziumsolarzellen dominieren heute den Photo­voltaik­markt, aber die Technologie nähert sich dem theoretisch maximalen Wirkungs­grad an, der mit Silizium als alleinigem Absorber­material erreicht werden kann. Tandem­solar­zellen ermöglichen durch die Kombination von mehreren Absorber­materialien eine deutlich bessere energetische Nutzung des Sonnen­spektrums. Aufgrund des höheren Wirkungs­grad­potenzials könnten sie die Basis der künftigen Solar­zellen­generation sein. Auf der Grund­lage intensiver Material­forschung haben Wissen­schaftler am Fraun­hofer-ISE, gemeinsam mit Partnern, einen neuen Wirkungs­grad­rekord von 22,3 Prozent für eine Mehr­fach­solar­zelle aus Silizium und III-V-Halb­leitern erzielt. Dabei ist die Besonder­heit, dass die III-V-Halb­leiter­schichten direkt auf das Silizium gewachsen wurden.

Abb.: Die Tandemsolarzelle aus Silizium und III-V-<wbr>Halbleitern ermöglicht eine deutlich bessere Aus­nutzung des Sonnen­spektrums als Standard­solar­zellen. (Bild: Fh.-ISE / A. Wekkeli)

Abb.: Die Tandemsolarzelle aus Silizium und III-V-Halbleitern ermöglicht eine deutlich bessere Aus­nutzung des Sonnen­spektrums als Standard­solar­zellen. (Bild: Fh.-ISE / A. Wekkeli)

Mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleiter­materialien versuchen Forscher, den theoretisch mit dem Material Silizium erreichbaren Wirkungs­grad von 29,4 Prozent zu über­treffen und damit die Um­wandlung von Sonnen­licht in elektrischen Strom noch effizienter zu gestalten. Ein viel­versprechender Ansatz ist die Kombination von Silizium­material mit III-V-Halb­leiter­verbindungen wie Gallium­arsenid. Eine Realisierungs­option ist, die III-V-Solar­zellen­strukturen auf teure Gallium­arsenid-Substrate abzu­scheiden und diese danach mittels der Halb­leiter-Bonding­technologie auf eine Silizium­solar­zelle zu über­tragen und das Gallium­arsenid-Substrat weg zu ätzen. Ein deutlich kosten­günstigerer Realisierungs­weg ist ein direktes Wachstum der III-V-Schichten auf die Silizium­solar­zelle.

Hierzu ist es allerdings notwendig, die atomare Struktur sehr gut zu kontrollieren und zu erreichen, dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenz­fläche zu Silizium die korrekten Gitter­plätze einnehmen. Weiter­hin muss der Abstand der Atome im Kristall­gitter vergrößert werden, um schließ­lich das Material Gallium­arsenid herzustellen. An diesen Heraus­forderungen arbeiten die Forscher seit mehr als zehn Jahren. Nun ist es ihnen gelungen, die Defekt­dichten in den III-V-Halb­leiter­schichten auf Silizium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si-Tandem­solar­zelle mit einem neuen Wirkungs­grad­rekord von 22,3 Prozent herzu­stellen. Der Wert wurde am 25. Dezember 2018 in die inter­national anerkannte Tabelle der besten Solar­zellen der Welt aufgenommen.

„Wir freuen uns sehr über dieses schöne Ergebnis für das Direkt­wachstum von III-V-Halb­leiter auf Silizium, ein sehr wichtiger Forschungs­ansatz für Tandem­solar­zellen“, sagt Andreas Bett, Instituts­leiter des Fraun­hofer-ISE. „Derzeit entsteht bei uns in Freiburg ein neues Zentrum für höchst­effiziente Solar­zellen, das ab 2020 unsere Arbeiten zu Tandem­solar­zellen beherbergen wird. Wir erwarten dann mit noch besserer technischer Infra­struktur eine Beschleunigung der Entwicklung von Mehr­fach­solar­zellen auf Silizium­basis.“

Der Übergang zwischen dem Silizium­kristall und der ersten III-V-Halb­leiter­schicht aus Gallium­phosphid wurde über die letzten Jahre in enger Zusammen­arbeit mit den Arbeits­gruppen von Thomas Hannappel an der TU Ilmenau sowie Kerstin Volz an der Philipps-Universität Marburg im Rahmen des Projekts MehrSi unter­sucht und immer weiter optimiert. Zunächst wurden die Defekte in der Kristall­struktur sichtbar gemacht und anschließend Schritt für Schritt reduziert. „Die erreichte Effizienz unserer III-V/Si-Tandem­solar­zelle zeigt, dass wir die Materialien mittler­weile sehr gut verstanden haben“, sagt Frank Dimroth, Leiter des Projekts MehrSi. Das direkte Wachstum der III-V-Schichten auf Silizium erlaubt es, auf teure Substrate für die Epitaxie zu verzichten, und ist daher eine Schlüssel­technologie, um in Zukunft höchst­effiziente Tandem­solar­zellen kosten­günstig herzustellen.

Fh.-ISE / DE

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