Forschung & Entwicklung

Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis

Tandemsolarzellen ermöglichen durch die Kombination mehrerer Absorbermaterialien einen deutlich besseren Wirkungsgrad als Siliziumsolarzellen alleine. Nun konnte ein neuer Wirkungsgradrekord erzielt werden.

Mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleitermaterialien versuchen Forscher, den theoretisch mit dem Material Silizium erreichbaren Wirkungsgrad von 29,4 Prozent zu übertreffen und damit die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom noch effizienter zu gestalten. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination von Siliziummaterial mit III-V-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid. Eine Möglichkeit ist, die III-V-Solarzellenstrukturen auf teure Galliumarsenid-Substrate abzuscheiden und diese danach mittels der Halbleiter-Bondingtechnologie auf eine Siliziumsolarzelle zu übertragen und das Galliumarsenid-Substrat weg zu ätzen. Ein deutlich kostengünstiger Realisierungsweg ist ein direktes Wachstum der III-V-Schichten auf die Siliziumsolarzelle. Hierzu ist es allerdings notwendig, die atomare Struktur zu kontrollieren und zu erreichen, dass die Gallium- und Phosphoratome an der Grenzfläche zu Silizium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Weiterhin muss der Abstand der Atome im Kristallgitter vergrößert werden, um schließlich das Material Galliumarsenid herzustellen. An diesen Herausforderungen arbeiten die Forscher seit mehr als zehn Jahren. Nun ist es ihnen gelungen, die Defektdichten in den III-V-Halbleiterschichten auf Silizium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent herzustellen.

Der Übergang zwischen dem Siliziumkristall und der ersten III-V-Halbleiterschicht aus Galliumphosphid wurde über die letzten Jahre in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Professor Thomas Hannappel an der TU Ilmenau sowie Professor Kerstin Volz an der Philipps Universität Marburg im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts MehrSi untersucht und immer weiter optimiert. Zunächst wurden die Defekte in der Kristallstruktur sichtbar gemacht und anschließend Schritt für Schritt reduziert. „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 Silizium erlaubt es, auf teure Substrate für die Epitaxie zu verzichten, und ist daher eine Schlüsseltechnologie, um in Zukunft höchsteffiziente Tandemsolarzellen kostengünstig herzustellen.

von mn

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