Das Fraunhofer ISE hat zwei Wirkungsgradrekorde für monolithische Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silicium aufgestellt. Das teilte die Forschungsgruppe um Frank Dimroth am Donnerstag mit. Den Forschern sei es gelungen, den Wirkungsgrad für eine durch Waferbonden hergestellte monolithische Mehrfachsolarzelle auf den Höchstwert von 34,1 Prozent zu verbessern (bisheriger Weltrekord bei 33,3 Prozent). Für eine Siliciumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten sei ein neuer Wirkungsgradrekord von 24,3 Prozent erzielt worden.
"Monolithische Mehrfachsolarzellen gelten als Hoffnungsträger für die Weiterentwicklung der heute dominierenden Siliciumsolarzellen, 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 Siliciumsolarzelle von 29,4 Prozent deutlich übertroffen wird", erklärt Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. Eine höhere Effizienz der Zellen erlaube es, mehr Leistung pro Fläche zu generieren und mit Material- und Rohstoffeinsparungen die Nachhaltigkeit der Photovoltaik zu verbessern.
Mehrere Schichten sorgen für spektralübergreifende Absorption
Für die Mehrfachsolarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Siliciumsolarzelle aufgebracht. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid (GalnP) zwischen 300 - 600 nm (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) zwischen 600 - 840 nm (nahes Infrarotlicht) und Silicium zwischen 800 - 1200 nm (längerwelliges Licht). So könnten die Wirkungsgrade von Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden, so die Forscher. Auch die Integration in Solarmodule sei unkompliziert, da sie wie eine normale Siliciumsolarzelle über jeweils einen Kontakt auf Vorder- und Rückseite verfügten.
Für die monolithische Mehrfachsolarzelle kommt das Verfahren des direkten Waferbondes zum Einsatz. Dafür werden in einem ersten Schritt die III-V-Schichten auf einem Gallium-Arsenid-Substrat (GaAs) 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 Silicium ein und bilden eine Einheit. Verschaltet sind die übereinander gestapelten Teilzellen aus GalnP, AlGaAs und Silicium durch Tunneldioden. Anschließend wird das GaAs-Substrat nasschemisch entfernt und ein nanostrukturierter Rückseitenkontakt sowie eine Antireflexbeschichtung und ein Kontaktgitter werden auf der Vorderseite aufgebracht.
Weniger Prozessschritte und kein Einsatz des teuren GaAs-Substrats
Die andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten (GaInP/GaAs) auf die Siliciumsolarzelle. Dieses Verfahren erfordert deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teueren 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 Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Auch können Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen.
Die Arbeiten zu der wafergebondeten Solarzelle werden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Die Arbeiten zu der direkt gewachsenen Zelle wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. (pm)
