Trend: Strom aus Tandemsolarzellen

Trend: Strom aus Tandemsolarzellen

Durch die Kombination von mehreren Absorbermaterialien ermöglichen Tandemsolarzellen eine deutlich bessere energetische Nutzung des Sonnenspektrums. Sie können aufgrund des höheren Wirkungsgradpotenzials die Basis der künftigen Solarzellengeneration sein.

Tandemsolarzelle aus Silicium und III-V-Halbleitern ermöglicht eine deutlich bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums als heutige Standardsolarzellen (Foto: Fraunhofer ISE/A.Wekkeli)

Der Photovoltaikmarkt wird heute von Siliciumsolarzellen dominiert. Jedoch nähert sich die Technologie dem theoretisch maximalen Wirkungsgrad an, der mit Silicium als alleinigem Absorbermaterial erreicht werden kann.

Wirkungsgradrekord erreicht

Wissenschaftler am Fraunhofer ISE haben gemeinsam mit Partnern auf der Grundlage intensiver Materialforschung einen neuen Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent für eine Mehrfachsolarzelle aus Silicium und III-V-Halbleitern erzielt. Das Besondere daran ist, dass die III-V-Halbleiterschichten direkt auf das Silicium gewachsen wurden.

Die Wissenschaftler versuchen mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleitermaterialien, den theoretisch mit dem Material Silicium erreichbaren Wirkungsgrad von 29,4 Prozent zu übertreffen. Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom soll damit noch effizienter vonstatten gehen.

Die Kombination von Siliciummaterial mit III-V-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Eine Realisierungsoption ist, die III-V Solarzellenstrukturen auf teure Galliumarsenid-Substrate abzuscheiden. Mittels der Halbleiter-Bondingtechnologie werden diese auf eine Siliciumsolarzelle übertragen und das Galliumarsenid-Substrat wird weggeätzt.

Kostengünstige Herstellung möglich

Ein direktes Wachstum der III-V Schichten auf die Siliciumsolarzelle ist ein deutlich kostengünstiger Realisierungsweg. Allerdings muss man hierbei die atomare Struktur sehr gut kontrollieren und erreichen, dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Darüber hinaus muss der Abstand der Atome im Kristallgitter vergrößert werden, um das Material Galliumarsenid herzustellen.

Strom-Spannungskennlinie der neuen III-V/Si Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 22,3%. Die III-V
Schichten wurden in einem Epitaxieprozess direkt auf die Silicium-Unterzelle abgeschieden, wobei der
Übergang zwischen Si und GaAs über eine Nukleationsschicht aus Galliumphosphid (GaP) und einen
sogenannten metamorphen Puffer zur Anpassung der atomaren Bindungen erfolgt – eine wesentliche
Herausforderung dieses Projekts (Bild: Fraunhofer ISE/A.Wekkeli)

Seit mehr als zehn Jahren arbeiten die Forscher an diesen Herausforderungen. Nun ist es ihnen gelungen, die Defektdichten in den III-V Halbleiterschichten auf Silicium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si- Tandemsolarzelle mit einem neuen Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent herzustellen.

„Die erreichte Effizienz unserer III-V/Si-Tandemsolarzelle zeigt, dass wir die Materialien mittlerweile sehr gut verstanden haben« sagt Dr. Frank Dimroth, Leiter des Projekts MehrSi. Das direkte Wachstum der III-V-Schichten auf Silicium erlaubt es, auf teure Substrate für die Epitaxie zu verzichten. Es ist daher eine Schlüsseltechnologie, um in Zukunft höchsteffiziente Tandemsolarzellen kostengünstig herzustellen.