Fraunhofer ISE meldet zwei neue Wirkungsgradrekorde für Mehrfachsolarzellen

Gleich zwei neue Wirkungsgradrekorde hat das Fraunhofer ISE veröffentlicht. Den neuen Rekord für eine durch Waferbonden hergestellte monolithische Mehrfachsolarzelle geben sie mit 34,1 Prozent an, den neuen Rekord für eine Siliziumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten mit 24,3 Prozent. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen.

Wie die Fraunhofer-Forscher erläutern, kommt für die monolithische Mehrfachsolarzelle das Verfahren des direkten Waferbondens zum Einsatz. Dabei werden zunächst die III-V-Schichten auf einem Gallium-Arsenid-Substrat abgeschieden, danach die Oberflächen in einer Kammer unter Hochvakuum mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und unter Druck miteinander verpresst. Die Atome der III-V-Halbleiterschichten gehen Bindungen mit dem Silizium ein und bilden eine Einheit; verschaltet sind die übereinander gestapelten Teilzellen durch Tunneldioden. Anschließend wird das Gallium-Arsenid-Substrat nasschemisch entfernt und ein nanostrukturierter Rückseitenkontakt sowie eine Antireflexbeschichtung und ein Kontaktgitter auf der Vorderseite aufgebracht.

„Gegenüber früheren Ergebnissen wurden die Abscheidebedingungen noch einmal verbessert und eine neue Zellstruktur für die oberste Teilzelle aus Gallium-Indium-Phospid eingeführt, die das sichtbare Licht noch besser wandelt“, erklärt Frank Dimroth, Abteilungsleiter III-V-Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. Der neue Wirkungsgrad von 34,1 Prozent – der bisherige Rekord lag bei 33,3 Prozent – zeige das enorme Potenzial dieser Technologie. „Wir halten Wirkungsgrade von 36 Prozent für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Siliziumsolarzelle von 29,4 Prozent deutlich übertroffen wird«, ergänzt Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE.

Eine andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten auf die Siliciumsolarzelle. Wie die Fraunhofer-Forscher mitteilen, erfordert dieses Verfahren deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teureren Gallium-Arsenid-Substrat, weshalb es für eine industrielle Umsetzung der Technologie vorteilhaft sei. Allerdings müsse die atomare Struktur sehr gut kontrolliert werden, so dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Zudem könnten Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen. „Hier konnten wir einen wichtigen Fortschritt erzielen – die Stromgeneration in den drei Teilzellen leidet kaum noch unter diesen Defekten, sodass wir weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 Prozent für diese Technologie realisieren konnten“, sagt Frank Dimroth: „Das Potenzial entspricht demjenigen der wafergebondeten Zelle, und hier haben wir in den nächsten Jahren noch einige Entwicklungsarbeit vor uns, um dies zu demonstrieren.“ Im Dezember 2018 hatte das Fraunhofer ISE eine solche Solarzelle mit einem Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent vorgestellt.