Fraunhofer ISE und AMOLF melden Rekordwirkungsgrad von 36,1 Prozent für Silizium-Mehrfachsolarzelle

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Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) und das niederländische Forschungsinstitut AMOLF haben nach eigenen Angaben für eine Mehrfachsolarzelle, die auf Silizium und III-V-Halbleitern wie Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Gallium-Arsenid (GaAs) basiert, einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 36,1 Prozent erzielt.

„Das Fraunhofer-Team ist weltweit bekannt für die Herstellung von ultrahocheffizienten Solarzellen auf der Basis von Silizium und III-V-Halbleitern wie GaInP oder GaAs“, so das Fraunhofer ISE in einer Mitteilung. „Das AMOLF-Team verfügt über langjährige Erfahrung in der Optimierung des Lichtmanagements in Solarzellen. In diesem Projekt haben wir dieses Wissen zusammengeführt, mit diesem einzigartigen Ergebnis. Die Solarzellen sind für die verschiedenen Bearbeitungsschritte zwischen Freiburg und Amsterdam hin- und hergereist, um auf diese Weise die vollständige Solarzelle aufzubauen.“

Nanophotonischer Lichteinfang mit großem Potenzial

Die Zelle basiert auf einer vom Fraunhofer ISE entwickelten Topcon-Technologie und einer speziell entwickelten Metall/Polymer-Nanobeschichtung von AMOLF. Letztere wird an der Unterseite der Silizium-Subzelle angebracht und ist dem Bericht zufolge dafür verantwortlich, die Verteilung der Lichtstreuung über den kritischen Winkel der internen Totalreflexion hinaus in der Zelle zu optimieren.

„Konkret optimieren wir die Geometrie einer hexagonalen Anordnung von Silber (Ag)-Nanoplatten, die in den Ag-Rückkontakt integriert sind, und zeigen, wie Abstand, Radius und Höhe der einzelnen Streuer die Leistungsverteilung über verschiedene Beugungsordnungen steuern und gleichzeitig die plasmonischen Streuverluste im interessierenden Wellenlängenbereich minimieren“, erklären die Wissenschaftler.

Für die Herstellung der metagrafischen Rückreflektoren mit Nanostrukturen nutzten sie die Substrat-Conformal-Imprint-Lithografie (SCIL), eine innovative Nanoimprint-Technologie im Maßstab eines ganzen Wafers.

Anschließend verbanden sie die oberen und unteren Zellen durch direktes Wafer-Bonden bei Raumtemperatur. Die resultierende Solarzelle hat eine Größe von 2 x 2 Zentimetern und verfügt über Frontkontakte, eine Antireflexionsschicht (ARC) und eine 1 Mikrometer dicke Ag-Schicht auf der Rückseite, die als elektrischer Kontakt und planarer Spiegel dient. „Nach dem Nanoimprinting und dem Ätzen wurden die Zellen erneut an das Fraunhofer ISE geschickt, wo sie einer abschließenden HF-Tauchbehandlung und Metallisierung unterzogen wurden“, erklären die Forscher.

Anhand mehrerer numerischer und experimenteller Untersuchungen stellte die deutsch-niederländische Gruppe fest, dass sich die externe Quanteneffizienz (EQE) des Multijunction-Bauelements gegenüber einem planaren Rückreflektor um über 1,52 Milliampere pro Quadratzentimeter verbesserte.

„Insgesamt zeigt unsere Arbeit das Potenzial des nanophotonischen Lichteinfangs für die Verbesserung der Effizienz von Silizium-basierten Mehrfachsolarzellen und ebnet den Weg für effizientere und nachhaltigere Solarenergietechnologien“, heißt es in der Erklärung des Forscherteams.

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