Forschung & Entwicklung -

Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln

Eine neue Rekordsolarzelle besteht aus einer Abfolge gestapelter Teilzellen, die jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche absorbieren.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silizium entwickelt, mit der genau ein Drittel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie gewandelt werden kann. Die Rekordzelle erreichte nun einen Wirkungsgrad von 33,3 Prozent.

Die Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) mit jeweils 1,9 Mikrometer Dicke und Silizium (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 Siliziumzelle 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. Die Verbindung gelang mittels des aus der Mikroelektronik bekannten direkten Waferbonden. Die Oberflächen wurden in einer Kammer im Hochvakuum mithilfe 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.

Die Solarzelle besitzt wie herkömmliche Siliziumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden. 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.

Der Nachwuchswissenschaftler Dr. Romain Cariou wurde durch die Europäische Union im Rahmen eines Marie Curie Stipendiums (HISTORIC, 655272) gefördert. Weiterhin wurden die Arbeiten 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) unterstützt.

Originalveröffentlichung:

[R. Cariou et al., III–V-on-silicon solar cells reaching 33 % photoconversion efficiency in two-terminal configuration, Nat. Energy (2018), DOI:10.1038/s41560-018-0125-0]

von mg

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