Forscher erreichen mit ultradünner Galliumarsenid-Zelle Wirkungsgrad von fast 20 Prozent

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Gerade einmal 0,2 Mikrometer ist die Absorberschicht aus Galliumarsenid dick, mit der Forscher des französischen Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies C2N (CNRS/Université Paris-Saclay) jetzt einen Wirkungsgrad von fast 20 Prozent erzielt haben. Üblicherweise sind Halbleiter aus diesem Material, die einen solchen Effizienzwert erreichen, mindestens fünf Mal so dick. Je weniger Material für eine Zelle benötigt wird, desto niedriger sind die Kosten und desto höher ist der Durchsatz in den Produktionsanlagen. Das Problem dabei ist nur: Mit abnehmender Dicke der Halbleiter schwindet deren Fähigkeit, Solarstrahlung zu absorbieren. Das geht auf Kosten des Wirkungsgrades.

Die französischen Forscher haben nun in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme ISE und weiterer Partner eine neue Strategie entwickelt, um Solarstrahlung in einem ultradünnen Galliumarsenid-Halbleiter einzufangen. Ihre Idee: Sie haben einen nanostrukturierten Rückspiegel konzipiert, der für vielfältige, sich überlappende Resonanzen in der Zelle sorgt (Fabry-Perot- und Guided-Mode Resonanzen). Er bewirkt, dass das Licht länger in der Halbleiterschicht bleibt, was trotz der geringeren Materialmenge zu einer effizienteren optischen Absorption führt. Das geschieht über einen großen Spektralbereich, vom sichtbaren bis hin zum infraroten Licht. Auch für Dünnschicht-Zellen mit Cadmiumtellurid -, CIGS- oder Silizium-Halbleiter könnte dieses Konzept genutzt werden.

Eine besondere Herausforderung war dabei die Fertigung des strukturierten Spiegels im Nanometer-Bereich. Die Forscher haben dafür eine spezielle lithographische Technologie verwendet, welche die direkte Prägung eines Titandioxid-Films ermöglicht – ein günstiges, schnelles und skalierbares Verfahren.

Das Forscherteam hat seine Ergebnisse jetzt im Fachjournal „Nature Energy“ veröffentlicht. Frank Dimroth, Leiter der Abteilung “III-V Photovoltaics and Concentrator Technology” am Fraunhofer ISE, erwartet, dass die Wissenschaftler die Effizienz ultradünner Solarzellen weiter verbessern können – in absehbarer Zeit auf 25 Prozent. Mit ihrer Arbeit könnten sie dafür sorgen, dass Galliumarsenid-Zellen eines Tages zu einer auch kommerziell interessanten Technologie werden. Bislang werden sie wegen ihrer hohen Materialkosten nur für Weltraum-Anwendungen genutzt.