Neuer Rekordwert für siliziumbasierte Mehrfachsolarzelle

Forschern am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gemeinsam mit der österreichischen Firma EV Group gelungen, eine Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis mit nur zwei Kontakten herzustellen, welche die theoretische Wirkungsgradgrenze reiner Siliziumsolarzellen überschreitet. Hierfür übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V Halbleiterschichten auf Silicium.

Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Dabei werden Oberflächen nach einer Plasmaaktivierung im Vakuum unter Druck miteinander verbunden. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silicium eingehen. Für eine derartige vollständig integrierte Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis stellt der erzielte Wirkungsgrad ein erstmaliges Ergebnis dar. 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.

Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE, und sein Team arbeiten daran, die theoretischen Grenzen von Siliziumsolarzellen zu überwinden. Ihre langjährige Expertise im Bereich der Silicium- und III-V-Mehrfachsolarzellen hat ihnen geholfen, diesen Meilenstein nun tatsächlich zu erreichen. Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit einer Fläche von 4 cm² wurde im Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE vermessen und weist eine Effizienz von 30,2 Prozent für die Umwandlung des einfallenden Lichts in elektrische Energie auf. Die bislang höchste Effizienz einer reinen Siliziumsolarzelle liegt bei 26,3 Prozent und das für Silicium theoretisch berechnete Limit bei 29,4 Prozent. 

Stromspannungscharakteristik der GaInP/GaAs/Si Solarzelle, vermessen im Fraunhofer ISE Kalibrierlabor / Bildquelle: Fraunhofer ISE

Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silizium (Si) auf, welche 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 Siliziumsolarzellenstruktur gebondet. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, die Zelle mit Vorder- und Rückkontakt sowie einer Antireflexbeschichtung versehen. Ein Schlüssel zum Erfolg war es, eine Prozesskette zu entwickeln, die sowohl eine ausreichend glatte und partikelfreie Siliziumoberfläche bereitstellt als auch die unterschiedlichen Bedürfnisse von Silizium und III-V Halbleiter berücksichtigt. Dieser Prozess basiert auf den jahrzehntelangen Erfahrungen in der Entwicklung höchsteffizienter Siliziumsolarzellen. Dem Fraunhofer ISE ist es gelungen, die Glasdecke von 30 Prozent Effizienz für eine integrierte Solarzelle auf Siliziumbasis mit nur zwei Kontakten so überzeugend zu durchstoßen. Sie öffnen damit die Tür zu weiteren Effizienzerhöhungen auf Basis des bewährten Siliziums in der Zukunft.

Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle zeigt eindrucksvoll die Möglichkeiten des ComBond® Clusters, verschiedene Halbleiter widerstandsfrei und ohne Klebstoffe zu verbinden, so Markus Wimplinger, Corporate Technology Development and IP Director der EV Group. Das Verfahren des direkten Waferbondens wird in der Mikroelektronik bereits zur Herstellung von Computerchips eingesetzt.

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. Zielsetzung ist es, in Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu ermöglichen.

Projektförderung

Der Nachwuchsforscher Dr. Romain Cariou hat die Arbeiten am Fraunhofer ISE im Rahmen eines Marie Curie Postdoc-Stipendiums durchgeführt. Die Förderung erfolgte über das EU Projekt HISTORIC, die Arbeiten von EVG wurden durch das Österreichische Ministerium für Technologie gefördert.

https://www.ise.fraunhofer.de/de

http://www.evgroup.com/de