Technologie

Dreifachsolarzelle mit Rekordeffizienz

05.09.2019 - Gleich zwei Wirkungsgradrekorde für siliziumbasierte, monolithische Dreifachsolarzellen.

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, den Wirkungsgrad für monolithische Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silizium nochmals zu erhöhen. Diese Mehrfachsolarzellen nutzen durch die Kombination von mehreren Absorbermaterialien das Sonnenspektrum energetisch deutlich besser aus als konventionelle Siliziumsolarzellen. Der Weltrekord für eine durch Waferbonden hergestellte monolithische Mehrfachsolarzelle konnte auf 34,1 Prozent verbessert werden. Für eine Siliziumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten wurde ein neuer Wirkungsgradrekord von 24,3 Prozent erzielt. 
 

„Monolithische Mehrfach­solarzellen gelten als Hoffnungs­träger für die Weiter­entwicklung der heute dominierenden Silizium­solarzellen, weil sich mit ihnen deutlich höhere Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom realisieren lassen. Wir halten Wirkungsgrade von 36 Prozent für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Silizium­solarzelle von 29,4 Prozent deutlich übertroffen wird«, erklärt Andreas Bett, Instituts­leiter des Fraunhofer ISE. Die hohe Effizienz erlaubt es, mehr Leistung pro Fläche zu generieren und damit Materialien für Solarzellen und Modul­materialien einzusparen – ein wichtiger Aspekt für die Nachhaltigkeit der Photovoltaik.

Für die hocheffiziente Mehrfach­solarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Silizium­solarzelle aufgebracht. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid zwischen 300 und 660 Nanometern (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid zwischen 600 und 840 Nanometern (nahes Infrarotlicht) und Silizium zwischen 800 und 1200 Nanometern (längerwelliges Licht). So können die Wirkungsgrade von Siliziumsolarzellen signifikant gesteigert werden. Da sie wie eine normale heutige Silizium­solarzelle über jeweils einen Kontakt auf Vorder- und Rückseite verfügen, lassen sich die Solarzellen leicht in Solarmodule integrieren.

Für die monolithische Mehrfachsolarzelle kommt das aus der Mikro­elektronik bekannte Verfahren des direkten Wafer­bondens zum Einsatz. Dafür werden in einem ersten Schritt die III-V-Schichten auf einem Gallium-Arsenid-Substrat abgeschieden. Anschließend werden die Oberflächen in einer Kammer unter Hoch­vakuum mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und unter Druck miteinander verpresst. Die Atome der III-V-Halbleiter­schichten gehen Bindungen mit dem Silizium ein und bilden eine Einheit. Verschaltet sind die übereinander gestapelten Teilzellen aus GaInP, AlGaAs und Silicium durch Tunneldioden. Anschließend wird das GaAs-Substrat nasschemisch entfernt und ein nanostrukturierter Rück­seiten­kontakt sowie eine Antireflex­beschichtung und ein Kontakt­gitter auf der Vorderseite aufgebracht.

„Gegenüber früheren Ergebnissen wurden die Abscheide­bedingungen noch einmal verbessert und eine neue Zellstruktur für die oberste Teilzelle aus Gallium-Indium-Phospid eingeführt, die das sichtbare Licht noch besser wandelt. Mit 34,1 Prozent zeigt die Zelle das enorme Potenzial dieser Technologie”, erklärt Frank Dimroth, Abteilungs­leiter III-V-Photovoltaik und Konzentrator­technologie am Fraunhofer ISE. Der bisherige Weltrekord für diese Zellklasse lag bei 33,3 Prozent .

Eine andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfach­solarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten (GaInP/GaAs) auf die Silizium­solarzelle. Dieses Verfahren erfordert deutlich weniger Prozess­schritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teureren GaAs-Substrats, weshalb es für eine industrielle Umsetzung der Technologie vorteilhaft ist. Allerdings muss die atomare Struktur sehr gut kontrolliert werden, so dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silizium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Auch können Defekte in den Halbleiter­schichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen. 

„Hier konnten wir einen wichtigen Fortschritt erzielen – die Stromgeneration in den drei Teilzellen leidet kaum noch unter diesen Defekten, sodass wir weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 Prozent für diese Technologie realisieren konnten”, so Frank Dimroth. „Das Potenzial entspricht demjenigen der wafer­gebondeten Zelle und hier haben wir in den nächsten Jahren noch einige Entwicklungs­arbeit vor uns, um dies zu demonstrieren.” Im Dezember 2018 hatte das Fraunhofer ISE eine solche Solarzelle mit einem Wirkungs­gradrekord von 22,3 Prozent vorgestellt.

Auf dem Weg zu einer industriellen Massenfertigung von monolithischen Mehrfach­solarzellen sehen die Fraunhofer ISE-Forscher Heraus­forderungen insbesondere in einem kostengünstigen Prozess zur Herstellung der III-V-Halbleiter­schichten. Hier ist das direkte Wachstum auf Silizium aktuell der vielversprechendste Ansatz. Es wird aber auch an Methoden geforscht, bei denen die GaAs-Substrate nach der Übertragung der Halbleiter­schichten auf Silizium viele Male recycelt werden. Für kosteneffiziente Durchsätze in der Solarzellen-Produktion müssen auch neue Anlagen entwickelt werden, um eine Abscheidung auf größeren Substraten und in kürzerer Zeit zu erreichen. Dies sind Ansätze, welche die Forscher am ISE in den kommenden Jahren verfolgen werden.

Fh.-ISE / DE
 

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