Forschern am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gemeinsam mit der EV Group gelungen, eine Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis mit nur zwei Kontakten herzustellen. Sie übertrifft die theoretische Wirkungsgradgrenze von reinen Silicium-Solarzellen.
Starke Verbindung - starker Wirkungsgrad
Hierfür übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V Halbleiterschichten auf Silicium. Für die Verbindung nutzten sie ein Verfahren, das aus der Mikroelektronik bekannt ist: das direkte 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.
Mit Wissenschaft durch die Glasdecke
Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silicium (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 Siliciumsolarzellenstruktur gebondet. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, die Zelle mit Vorder- und Rückkontakt sowie einer Antireflexbeschichtung versehen.
Rekord markttauglich machen
Für eine vollständig integrierte Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis stellt der Wirkungsgrad von 30,2 eine Premiere dar. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen 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 Verbindung mit Silicium weiter gesenkt werden. Daran wollen die die Freiburger Fraunhofer-Forscher in zukünftigen Entwicklungsvorhaben tüfteln. Im neu entstehenden Zentrum für Höchsteffiziente Solarzellen sollen sowohl III-V- als auch Si-Technologien der nächsten Generation entwickelt werden.
Zielist es, in Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu ermöglichen.
