Fraunhofer ISE entwickelt III-V/Si-Tandem-Solarzelle mit 25,9 Prozent Wirkungsgrad

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Einen neuen Rekord meldet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Die Forscher haben für eine direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si-Tandem-Solarzelle einen Wirkungsgrad von 25,9 Prozent verzeichnet. Bereits seit vielen Jahren arbeitet das Fraunhofer ISE an Mehrfachsolarzellen, bei denen zwei oder drei Teilzellen übereinander angeordnet werden, um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts in Strom zu wandeln. Für den infraroten Anteil des Spektrums eignet sich Silizium als Absorber. Darüber werden dann wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern aufgetragen, die das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln.

Wie das Fraunhofer ISE erläutert, werden reine III-V-Halbleiter-Solarzellen bereits im Weltraum und in der Konzentrator-Photovoltaik eingesetzt. Durch kostengünstigere Verfahren im Zusammenspiel mit Silizium als unterster Teilzelle soll die Tandem-Technologie in Zukunft auch für die breite Photovoltaik zugänglich gemacht werden. Die jetzt präsentierte Rekordzelle ist demnach erstmals auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat hergestellt worden: Die III-V-Schichten seien nicht wie bisher üblich auf einem chemisch-mechanisch polierten Substrat gewachsen worden, sondern auf einem Silizium-Wafer, der nach dem Sägen des Kristalls in einem einfachen Verfahren nur mittels kostengünstiger Schleif- und Ätzprozesse behandelt worden sei. Das sei ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu wirtschaftlichen Lösungen für die Tandem-Photovoltaik.

Den Forschern zufolge gibt es unterschiedliche Ansätze, um Kombinationen aus III-V- und Silizium-Solarzellen herzustellen. So hält das Fraunhofer ISE den Weltrekordwert von 34,5 Prozent für eine Tandem-Solarzelle, bei der die III-V-Halbleiterschichten von einem Galliumarsenid-Substrat auf Silizium übertragen werden, wobei die Schichten durch einen sogenannten Wafer-Bond verbunden sind. Diese Technologie sei effizient aber teuer. Daher arbeite das Fraunhofer ISE seit vielen Jahren an direkteren Herstellungsverfahren, bei denen die III-V-Schichten auf eine Silizium-Solarzelle abgeschieden beziehungsweise epitaxiert werden. Hierbei sei es entscheidend, eine hohe Kristallqualität aller Schichten zu erhalten – eine große Herausforderung. Für eine solche, direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si-Tandem-Solarzelle wurde jetzt der neue Weltrekord-Wirkungsgrad erzielt.

„Von außen ist die komplexe innere Struktur der Zelle nicht sichtbar, da alle Absorber durch weitere Kristallschichten miteinander verbunden und elektrisch verschaltet sind“, sagt Solarzellenforscher Markus Feifel vom Fraunhofer ISE. Der neue Rekord-Wirkungsgrad sei durch das Austauschen einer einzigen dünnen Schicht innerhalb der Mehrfachzelle gelungen: „Eine sorgfältige Analyse unserer Zellen ergab, dass diese Schicht zu einer Barriere für die Stromleitung geführt hat.“

In Zukunft soll es darum gehen, die Effizienz noch weiter zu erhöhen und auch die Abscheidung der Schichten noch schneller, mit höherem Durchsatz und damit kostengünstiger zu realisieren. Das Fraunhofer ISE weist darauf hin, dass sich Tandem-Solarzellen aufgrund ihrer höheren Spannung beispielsweise besonders gut für die Elektrolyse eignen, also die direkte Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Somit leiste diese Technologie auch einen Beitrag zur Gewinnung von Wasserstoff als Energiespeicher und wichtigem Baustein für die Energiewende.

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