Fraunhofer ISE vermeldet 22,3 Prozent Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis

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Der Photovoltaik-Markt wird derzeit von Solarzellen auf Siliziumbasis dominiert. Doch der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Technologie, die mit Silizium als alleinigem Absorbermaterial arbeitet, ist nach Aussagen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE auf 29,4 Prozent limitiert. Mit der Kombination unterschiedlicher Halbleitermaterialien lässt er sich allerdings noch deutlich steigern, da ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts zur Stromgewinnung genutzt werden kann. Die Freiburger Wissenschaftler haben gemeinsam mit Partnern intensive Materialforschung betrieben. Heraus kam eine Mehrfachsolarzelle aus Silizium und III-V-Halbleitern mit einem Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent, wie das Fraunhofer ISE am Montag veröffentlichte. Die Besonderheit sei, dass die III-V-Halbleiterschichten direkt auf das Silizium gewachsen wurden.

Die Methode sei deutlicher kostengünstiger als der ebenfalls vielversprechende Ansatz einer Kombination von Siliziummaterial mit III-V-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid. An den technischen Herausforderungen bei der letztgenannten Kombination arbeiteten Wissenschaftler schon seit mehr als zehn Jahren. Den Freiburger Wissenschaftlern sei es nun gelungen, die Defektdichten in den III-V Halbleiterschichten auf Silizium deutlich zu reduzieren. Dadurch sei am 25. Dezember 2018 auch der international anerkannte Rekord von 22,3 Prozent erreicht worden.

Der Übergang zwischen dem Siliziumkristall und der ersten III-V-Halbleiterschicht aus Galliumphosphid sei in den vergangenen Jahren mit Forschern der TU Illmenau und der Universität Marburg im Zuge des Projekts „MehrSi“ untersucht und optimiert worden. Zunächst seien die Defekte in der Kristallstruktur sichtbar gemacht und anschließend schrittweise reduziert worden. „Die erreichte Effizienz unserer III-V/Si-Tandemsolarzelle zeigt, dass wir die Materialien mittlerweile sehr gut verstanden haben“, sagte Frank Dimroth, Leiter des Projekts „MehrSi“. Das direkte Wachstum der III-V-Schichten auf Silizium erlaube es, auf teure Substrate für die Epitaxie zu verzichten. Damit sei es eine Schlüsseltechnologie, um in Zukunft höchsteffiziente Tandemsolarzellen kostengünstig herzustellen. Neben den Universitäten war auch der Anlagenhersteller Aixtron an dem vom Bundesforschungsminister geförderten Projekt „MehrSi“ beteiligt.

„Wir freuen uns sehr über dieses schöne Ergebnis für das Direktwachstum von III-V-Halbleiter auf Silizium, ein sehr wichtiger Forschungsansatz für Tandemsolarzellen“, erklärte Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. Derzeit baut das Institut ein neues Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen auf, wo nach der Eröffnung 2020 auch an den Tandemsolarzellen weiter geforscht werden soll. „Wir erwarten dann mit noch besserer technischer Infrastruktur eine Beschleunigung der Entwicklung von Mehrfachsolarzellen auf Siliziumbasis“, so Bett weiter.