Fraunhofer ISE meldet zwei neue Wirkungsgradrekorde bei Mehrfachsolarzellen

Forscher vom Fraunhofer ISE vermelden zwei neue Wirkungsgradrekorde bei monolithische Mehrfachsolarzellen. Im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit konnte der Wirkungsgrad für eine monolithische Mehrfachsolarzelle auf 34,1 Prozent verbessert werden.

Logo Fraunhofer Institut für Solare EnergiesystemeLaut dem Logo Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE haben Dreifachsolarzellen aus Silizium und III-V-Halbleitern das Potenzial, ein neues Effizienzniveau bei der Photovoltaik zu erreichen. So konnte der Wirkungsgrad für eine monolithische Mehrfachsolarzelle auf 34,1 Prozent verbessert werden, indem sie durch das sogenannte Waferbonden-Verfahren hergestellt wird.

Der Wirkungsgrad einer Siliziumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten erhöhte sich hingegen auf 24,3 Prozent, berichtet das Fraunhofer ISE in einer Pressemitteilung (PDF; öffnet in neuem Fenster). Von den unterschiedlichen Schichten werden verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts absorbiert, wodurch dieses optimal genutzt werden kann.

Das Verfahren des direkten Waferbondens

Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silizium
Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silizium (Bild © Fraunhofer ISE).

Für die monolithische Mehrfachsolarzelle kommt das Verfahren des direkten Waferbondens zum Einsatz. Hierbei werden die III-V-Schichten auf einem Gallium-Arsenid-Substrat abgeschieden und die Oberflächen mit Hilfe eines Ionenstrahls und unter Hochvakuum in einer Kammer deoxidiert. Danach werden sie unter Druck miteinander verpresst, wodurch die Atome der III-V-Halbleiterschichten mit dem Silizium Bindungen eingehen und anschließend eine Einheit bilden. Die übereinander gestapelten Teilzellen sind durch Tunneldioden verschaltet. Anschließend wird auf der Vorderseite ein Kontaktgitter und eine Antireflexbeschichtung sowie ein nanostrukturierter Rückseitenkontakt aufgebracht.

Die Abscheidebedingungen wurden gegenüber früheren Ergebnissen noch einmal verbessert und eine neue Zellstruktur eingeführt. Dadurch wird das sichtbare Licht noch besser gewandelt und es konnte ein neuer Wirkungsgrad von 34,1 Prozent erreicht werden. Schon dadurch zeige sich das enorme Potenzial dieser Technologie, doch Wissenschaftler halten auch Wirkungsgrade von bis zu 36 Prozent für möglich. Das physikalische Limit einer reinen Siliziumsolarzelle (29,4 Prozent) wäre damit deutlich übertroffen.

Die günstigere Alternative birgt ebenso großes Potenzial

Das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten auf die Siliciumsolarzelle wäre die andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen. Dieses Verfahren vermeidet den Einsatz des teureren Gallium-Arsenid-Substrat und erfordert deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden. Damit wäre es für eine industrielle Umsetzung der Technologie besonders vorteilhaft. Doch hier könnten Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen, weshalb die atomare Struktur sehr gut kontrolliert werden müsse.

Auf diesem Feld konnten die Forscher bereits einen wichtigen Fortschritt erzielen und für diese Technologie weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 Prozent realisieren. Weitere Entwicklungsarbeit soll demonstrieren, dass das Potenzial demjenigen der wafergebondeten Zelle entspricht. Das Fraunhofer ISE hatte bereits im Dezember 2018 eine solche Solarzelle mit einem hohen Wirkungsgrad vorgestellt. Damals lag der Rekord bei 22,3 Prozent.

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