Fraunhofer ISE: Mehrfachsolarzelle erreicht 33,3 Prozent Wirkungsgrad

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Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und der Anlagenbauer EVG haben mit 33,3 Prozent einen neuen Wirkungsgradrekord für ihre Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis erzielt. Die hohe Umwandlungseffizienz erreichten die Forscher durch 0.002 Millimeter dünne Halbleiterschichten – weniger als ein zwanzigstel der Dicke eines Haars – aus III-V-Verbindungshalbleitern, die auf eine Silizium-Solarzelle aufgebracht werden, wie das Freiburger Forschungsinstitut am Dienstag mitteilte. „Die Schicht des vergleichsweise teuren III-V-Halbleitermaterials ist so dünn, dass die Materialkosten am Ende kein Hindernis sind“, sagt Frank Dimroth vom Fraunhofer ISE auf Nachfrage von pv magazine. Mit dem jetzt erzielten Erfolg will das Fraunhofer ISE das Potenzial der Technologie aufzeigen, die im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen einen deutlich höheren Wirkungsgrad erzielt.

Bereits im November 2016 hatten die Freiburger Solarforscher demnach mit ihrem Industriepartner EVG einen Wirkungsgrad von 30,2 Prozent demonstriert und diesen im März 2017 auf 31,3 Prozent erhöht. Nun konnten sie die Lichtabsorption und die Ladungstrennung im Silizium noch einmal deutlich verbessern und so den neuen Rekordwert erzielen, wie es heißt.

Die Forscher verbanden dabei nach eigenen Angaben die 1.9 Mikrometer dünne III-V-Halbleiterschichten mit dem Silizium mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Die Oberflächen seien dafür in einer Hochvakuum-Kammer mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und anschließend unter Druck miteinander verpresst worden. Dabei würden die Atome der III-V-Oberfläche Bindungen mit dem Silizium eingehen.

Der Solarzelle sehe man die komplexe innere Struktur nicht an: Sie besitze wie herkömmliche Silizium-Solarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und könne wie diese in Solarmodule integriert werden. Sichtbares Licht werde in der ersten Schicht aus Gallium-Indium-Phosphid (Strahlung zwischen 300 und 670 Nanometern), das nahe Infrarotlicht in Gallium-Arsenid (Strahlung zwischen 500 und 890 Nanometern) und längerwelliges Licht schließlich in Silizium (Strahlung zwischen 650 und 1180 Nanometern) absorbiert.

Im nächsten Schritt müssten nun die Maschinen für eine künftige Großfertigung entwickelt werden, sagt Dimroth. „Bisher benötigen wir für die Beschichtung der vier Quadratzentimeter großen Fläche vier Stunden – für eine wettbewerbsfähige Fertigung müssen wir viel größere Flächen innerhalb von Minuten beschichten können.“ Bis es tatsächlich zu einer Serienfertigung kommt, werden nach seiner Einschätzung noch fünf bis zehn Jahre vergehen – trotzdem erwartet Dimroth gerade hier große Kostensenkungspotenziale. „Auch bei der Produktion herkömmlicher Silizium-Solarzellen wurde durch die Großproduktion die Kosten um den Faktor 100 gesenkt.“ Auf dem Weg zur industriellen Fertigung müssten demnach insbesondere die Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silizium weiter gesenkt werden.

Das Ergebnis und der Wirkungsgrad-Rekord wurden nun in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlicht.