Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis erzielt Wirkungsgrad von 33,3 Prozent

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Mehrfachsolarzelle aus III-V-Halbleitern und Silizium, die 33,3 Prozent des Sonnenlichts in Strom wandelt.
Mehrfachsolarzelle aus III-V-Halbleitern und Silizium, die 33,3 Prozent des Sonnenlichts in Strom wandelt. (Bild: Fraunhofer ISE / D. Mahler)

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine Mehrfachsolarzelle auf Silizium entwickelt, welche die theoretische Wirkungsgradgrenze von Siliziumsolarzellen überschreitet.

Mit einem Wirkungsgrad von 33,3 Prozent überschreitet die Mehrfachsolarzelle der Freiburger Forscher das theoretisch berechnete Limit für Silizium (29,4 %) um 3,9 Prozent und den bisher höchsten erreichten Wert reiner Siliziumsolarzellen sogar um 7 Prozent. Dazu übertrugen die Forscher 1.9 µm dünne III-V-Halbleiterschichten auf Silizium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden.

Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an

Die Mehrfachsolarzelle besteht aus Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silizium (Si) auf, die intern durch Tunneldioden verschaltet sind. Dadurch kann die Solarzelle ein breites Spektrum des Sonnenlichts absorbieren: 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 Siliziumsolarzellenstruktur gebondet. Hierbei wurden auf der Vorder- und Rückseite des Siliziums-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.

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 Silizium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliziumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

Die Lichtabsorption und die Ladungstrennung im Silizium konnten deutlich verbessert werden

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 Silizium noch einmal deutlich verbessern und damit einen neuen Rekordwert von 33,3 Prozent erzielen.

„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.“

Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle müssen die Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silizium 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 Siliziumtechnologien der nächsten Generation entwickelt werden.

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