33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln

03.04.18 | Technik + Innovation

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann. Das Ergebnis wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Solarzellen aus Silicium dominieren heute den globalen Photovoltaikmarkt mit einem
Anteil von rund 90 Prozent. Forschung und Industrie arbeiten sich mit neuen
technologischen Entwicklungsschritten an die theoretische Wirkungsgradgrenze des
Halbleitermaterials Silicium heran. Gleichzeitig gehen sie neue Wege, um eine neue
Generation von noch effizienteren Solarzellen zu entwickeln.

Die jetzt erzielte hohe Umwandlungseffizienz einer Mehrfachsolarzelle auf Silicium
erreichten die Forscher durch 0.002 mm dünne Halbleiterschichten – weniger als ein
zwanzigstel der Dicke eines Haars – aus III-V-Verbindungshalbleitern, die auf eine
Siliciumsolarzelle aufgebracht werden. Das sichtbare Licht wird effizient in einer ersten
Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert, das nahe Infrarotlicht in
Galliumarsenid und längerwelliges Licht schließlich in Silicium. So können die
Wirkungsgrade heutiger Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden.

»Die Photovoltaik ist eine der wichtigsten Säulen für die Energiewende«, sagt Dr.
Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. »Die Kosten sind inzwischen so weit
gesunken, dass die Photovoltaik eine wirtschaftliche Alternative zu konventionellen
Energien darstellt. Aber diese Entwicklung ist noch lange nicht am Ende, und das neue
Ergebnis zeigt, wie wir durch höhere Wirkungsgrade den Materialverbrauch reduzieren
und damit nicht nur die Kosten noch weiter optimieren, sondern Solarstrom auch
ressourcenschonend herstellen können.«

Bereits im November 2016 hatten die Freiburger Solarforscher mit ihrem
Industriepartner EVG einen Wirkungsgrad von 30,2 Prozent demonstriert und diesen im
März 2017 auf 31,3 Prozent erhöht. Nun konnten sie die Lichtabsorption und die
Ladungstrennung im Silicium noch einmal deutlich verbessern und damit einen neuen
Rekordwert von 33,3 Prozent erzielen. Die Rekordzelle mit dem neuen Ansatz gleicht
von außen einer herkömmlichen Solarzelle mit zwei Kontakten und kann somit leicht in
Photovoltaikmodule integriert werden. Die Technologie hat auch die Jury der GreenTec
Awards 2018 überzeugt, sie wählte diese Entwicklung unter die Top drei in der
Kategorie Energie.

Die Technologie

Beim Konzept der Mehrfachsolarzellen übertrugen die Forscher 1.9 μm Mikrometer
dünne III-V-Halbleiterschichten auf Silicium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines
aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Die
Oberflächen wurden in einer EVG580® ComBond® Kammer im Hochvakuum mit Hilfe
eines Ionenstrahls deoxidiert und anschließend unter Druck miteinander verpresst. Es
entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem
Silicium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie
besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und
Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

Die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis weist eine Abfolge von übereinander
gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs)
und Silicium (Si) auf, die intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die
oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die GaAs-Zelle
zwischen 500 und 890 nm und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 nm. Die III-V
Schichten wurden zunächst auf einem GaAs Substrat epitaktisch abgeschieden und
dann auf eine speziell angepasste Siliciumsolarzellenstruktur gebondet. Hierbei wurden
auf der Vorder- und Rückseite des Siliciums Tunneloxid passivierte Kontakte (TOPCon)
aufgebracht. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, ein nanostrukturierter
Rückseitenkontakt zur Weglängenverlängerung des Lichts aufgebracht sowie ein
Vorderseiten Kontaktgitter und eine Antireflexbeschichtung.

Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle müssen die
Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silicium weiter gesenkt
werden. Hier liegen große Herausforderungen, die die Freiburger Fraunhofer-Forscher
in zukünftigen Entwicklungsvorhaben in ihrem neu entstehenden Zentrum für
höchsteffiziente Solarzellen lösen wollen. Dort sollen sowohl III-V- als auch
Siliciumtechnologien der nächsten Generation entwickelt werden. Zielsetzung ist es, in
Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu
ermöglichen.

Projektförderung

Der Nachwuchswissenschaftler und Erstautor der Veröffentlichung Dr. Romain Cariou
wurde durch die Europäische Union im Rahmen eines Marie Curie Stipendiums
(HISTORIC, 655272) gefördert. Weiterhin wurden die Arbeiten unterstützt durch die
Europäische Union im Rahmen des Projekts NanoTandem (641023) sowie durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi im Rahmen des Projekts PoTaSi
(Fkz. 0324247).

Bildquelle: Dirk Mahler

Quelle: Fraunhofer ISE

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