Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE haben Forschende Mehrschicht-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 35,9 Prozent entwickelt. So effizient waren Tandemsolarzellen noch nie. Die hocheffiziente Mehrschicht-Solarzelle besteht aus dünnen Halbleiterschichten, wenige Mikrometer dick, die ihrerseits auf einer Siliziumsolarzelle aufgebracht sind. Insgesamt sind es drei Schichten. Durch diesen Aufbau nutzen sie das Sonnenspektrum energetisch besser aus als reine Siliziumsolarzellen.

Leistungsfähige Mehrfachsolarzellen auf Siliziumbasis

Siliziumsolarzellen dominieren derzeit den Photovoltaikmarkt mit einem Anteil von über 92 Prozent. Der aktuelle Wirkungsgrad industriell gefertigter Siliziumsolarzellen liegt zwischen 17 und 22 Prozent, wobei das theoretische Maximum 29,4 Prozent beträgt. Durch höhere Wirkungsgrade können die Stromerzeugungskosten sinken. Weniger Solarfläche erzielt die gleiche oder sogar eine höhere Leistung. Zudem lassen sich Zell- und Modulkomponenten einsparen, beispielsweise Halbleitermaterial, Metalle, Rahmenkomponenten. Damit reduzieren sich sowohl der Verbrauch an Ressourcen als auch die Kosten. Mehrfachsolarzellen mit Silizium als Basiszelle und zusätzlichen wenigen Mikrometer dünnen Halbleiterschichten bieten einen vielversprechenden Ansatz. Silizium ist ein sehr kostengünstiges Substrat und überall verfügbar. Bei Mehrfachsolarzellen absorbieren die unterschiedlichen Schichten verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) zwischen 300 - 660 Nanometer (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAr) zwischen 600 - 840 Nanometer (nahes Infrarotlicht) und Silizium zwischen 800 - 1200 Nanometer (längerwelliges Licht). Hier liegt der Vorteil, der aus mehreren Halbleitern aufgebauten Solarzelle. Die dem Licht zugewandte oberste Teilsolarzelle, auch als Oberzelle bezeichnet, absorbiert Licht mit kurzen Wellenlängen und lässt längerwelliges Licht hindurch. Die Mittelzelle absorbiert wiederum einen Teil des Spektrums und lässt das langwellige Licht hindurch. So können grundsätzlich beliebig viele Teilsolarzellen übereinander angeordnet werden. Dieser Aufbau erhöht den Wirkungsgrad der Solarzellen.

Dünne Halbleiterschichten bilden mit Silizium eine Einheit

Ingenieureinnen und Ingenieure fertigen die Halbleiterstapel von Mehrfachsolarzellen mit einem speziellen Verfahren, der metallorganischen Gasphasenepitaxi (MOVPE). Die verschiedenen Materialien werden aus der Gasphase nacheinander auf einem Substrat abgeschieden. Dieser Vorgang wird als epitaktisches Schichtenwachstum bezeichnet. Innerhalb des Projekts PoTaSi, kurz für „Demonstration des Potentials von monolithischen Tandemsolarzellen aus III-V Halbleitern und Silicium“ lassen die Forscherinnen und Forscher die Ober- und Mittelzellen aus den Halbleitermaterialien epitaktisch wachsen. Anschließend, nutzen sie das Verfahren des direkten Waferbondens, um die Dreifachsolarzelle herzustellen. Hierbei handelt es sich um einen, aus der Mikroelektronik bekannten, mehrstufigen Prozess durch den die Atome der Dünnschichtmaterialien chemische Bindungen mit der Silizium-Unterzelle eingehen. Anschließend sind sie untrennbar miteinander verbunden. Von außen gesehen gleicht die monolithische Mehrfachsolarzelle herkömmlichen Solarzellen mit zwei Kontakten. Verbunden sind die übereinander gestapelten Teilzellen und Silizium durch Tunneldioden. Diese dienen dazu, die Teilzellen seriell zu verschalten. So summiert sich die Spannung der Zelle und steigert den Wirkungsgrad.

Rekordwirkungsgrad mit neuer Mittelzelle erzielt

Im Verlauf der Projektarbeiten haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fast alle Komponenten der Dreifachsolarzellen deutlich verbessern können. Zunächst haben sie die Passivierung der Silizium-Unterzelle verändert, sodass weniger Ladungsträger verloren gehen. Anschließend ist es ihnen gelungen, die Oberzelle aus GaInP zu optimieren. Dabei hat sich gezeigt, dass GaInP sensibel auf hohe Temperaturen reagiert. Die Spannung der Teilzelle sinkt und so auch der Wirkungsgrad. Daraufhin hat das Projektteam den Prozessfluss verändert und die Oberzelle über der Mittelzelle epitaktisch wachsen lassen. Damit ist das Halbleitermaterial während der Gasphasenepitaxi niedrigeren Temperaturen ausgesetzt. Abschließend erfolgten intensive Forschungsarbeiten an der Mittelzelle. Die Ergebnisse haben wesentlich dazu beigetragen, den Wirkungsgrad der Dreifachsolarzelle auf 35,9 Prozent zu steigern. Entscheidend ist der Einsatz eines neuen Verbindungshalbleiters GaInAsP (Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid). Dieser hilft, die Lebensdauer der Ladungsträger deutlich zu verlängern. Dadurch erreicht die Zelle eine höhere Spannung.

Dreifach-Solarzelle mit dünnem Schichtstapel aus epitaktisch gewachsenen III-V Verbindungshalbleitern.
© Fraunhofer ISE

Dreifach-Solarzelle mit dünnem Schichtstapel aus epitaktisch gewachsenen III-V Verbindungshalbleitern.

Die Regenbogenfarben zeigen die Beugung des Sonnenlichts durch einen Spiegel mit nanostrukturiertem Gitter, welcher auf der Rückseite der Silicium Unterzelle aufgebracht wurde.
© Fraunhofer ISE - Michael Schachtner

Die Regenbogenfarben zeigen die Beugung des Sonnenlichts durch einen Spiegel mit nanostrukturiertem Gitter, welcher auf der Rückseite der Silicium Unterzelle aufgebracht wurde.

Zukunft der Dreifachsolarzellen

Das Projekt hat das Potential der Technologie gezeigt. Zunächst eignet sich die entwickelte monolithische Dreifachsolarzelle für spezielle Einsatzmöglichkeiten, bei denen eine hohe Leistung pro Fläche besonders wichtig ist. Dies gilt beispielsweise für elektrisch betriebene Flugzeuge und Drohnen.

Mit den momentan genutzten Verfahren haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Ziel verfolgt, höchste Wirkungsgrade zu erreichen. Nun ist der weitere Plan, die Fertigungsverfahren hin zu kostengünstigeren Prozessen zu verbessern. Daher wird es noch einige Zeit benötigen bis die Zellen und Module auf dem Markt erhältlich sind.

 

Letzte Aktualisierung: 25.10.2021

Auf einen Blick

Kurztitel:
PoTaSi
Förderkennzeichen:
0324247
Themen:
Neue PV-Materialien und Konzepte
Projektkoordination:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Laufzeit gesamt:
October 2017 bis September 2020

Quintessenz

  • Monolithische Dreifachsolarzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 35,9 Prozent.
  • In der neu entwickelten Dreifachsolarzelle – auch als III-V//Silizium-Tandemsolarzelle bezeichnet, sind alle Schichten des III-V Halbleiters mit der Siliziumzelle untrennbar verbunden.
  • Entwickelte Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid-Mittelzelle hat entscheidend zum hohen Wirkungsgrad beigetragen.

Ansprechpartner zum  Projekt

Dr. Frank Dimroth
Fraunhofer-ISE

Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

+49761 4588-5258

www.ise.fraunhofer.de
Bei EnArgus, dem zentralen Informationssystem zur Energieforschungsförderung, befindet sich unter anderem eine Datenbank mit sämtlichen Energieforschungsprojekten – darunter auch dieses Projekt.