Höchsteffiziente Solarzellen auf Silicium- oder III-V-Basis sowie als Tandemzellen

© Fraunhofer ISE/Dirk Mahler

Mehrfachsolarzelle aus III-V-Halbleitern und Silicium, die 33,3 Prozent des Sonnenlichts in Strom wandelt.

Siliciumsolarzellen
Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt. Forschung und Industrie arbeiten kontinuierlich an der Optimierung des Wirkungsgrads und kommen dabei dem physikalisch möglichen Limit des Materials immer näher. Den Weltrekord für multikristalline Solarzellen hält das Fraunhofer ISE mit einem Wert von 22,3 Prozent. Um diesen zu ermöglichen, stand die gesamtheitliche Betrachtung und Optimierung aller Schritte von der Kristallisation bis hin zu den einzelnen Solarzellenprozessschritten im Fokus. Eine wichtige Rolle spielten dabei eine optimierte Plasmatextur sowie die am Fraunhofer ISE entwickelte Tunnel Oxide Passivated Contact-Technologie (TOPCon) für die Rückseitenkontaktierung.  Bei diesem Verfahren werden die elektrischen Kontakte strukturierungsfrei auf einer leitfähig passivierten Oberfläche der Solarzelle angebracht. Dadurch lassen sich Ladungsverluste reduzieren und Strom deutlich effizienter gewinnen. Damit stellt TOPCon einen möglichen Ansatz dar, um die Leistungsverluste der heutigen Standard-PERC-Solarzellen zu reduzieren.

Für monokristalline Siliciumsolarzellen erzielte das Fraunhofer ISE dank der TOPCon Technologie erstmals einen Effizienzwert von 25,7 Prozent für eine beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzelle.

III-V Solarzellen
Auch den absoluten internationalen Photovoltaik-Wirkungsgrad Rekord von 46,1 Prozent hält das Fraunhofer ISE mit III-V-Konzentrator-Mehrfachzellen. Diese basieren auf einer Kombination verschiedener III-V Halbleiterverbindungen, z. B. Galliumindiumphosphid (GaInP), Galliumindiumarsenid (GaInAs) oder Germanium (Ge). Jeder dieser Halbleiter wandelt einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts in Strom um. Aus dem Zusammenspiel der Teilsolarzellen ergibt sich der hohe Wirkungsgrad. Ursprünglich wurden III-V Mehrfachsolarzellen in der Stromversorgung von Satelliten eingesetzt, auch für diese Anwendung forscht und entwickelt das Fraunhofer ISE bis heute. Für die terrestrische Nutzung, den Einsatz in Konzentratorkraftwerken, werden die III-V Mehrfachsolarzellen in Module eingebaut und schließlich in ein vollständiges Konzentratorsystem für Kraftwerke integriert.

Tandem-Solarzellen
Um noch effizientere Solarzellen herzustellen, gehen die Forscher des Fraunhofer ISE neue Wege, indem sie ihre Kompetenzen in den Materialklassen Silicium und III-V zusammenbringen. Dadurch gelang ihnen die Herstellung einer Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis mit nur zwei Kontakten und einem Wirkungsgrad von 33,3 Prozent. Diese hohe Umwandlungseffizienz erreichten die Forscher durch 0.002 mm dünne Halbleiterschichten aus III-V-Verbindungshalbleitern, die auf eine Siliciumsolarzelle aufgebracht werden. Das sichtbare Licht wird effizient in einer ersten Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert, das nahe Infrarotlicht in Galliumarsenid und längerwelliges Licht schließlich in Silicium. So können die Wirkungsgrade heutiger Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden.

 

Die Verbindung der Halbleiterschichten gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Dabei werden Oberflächen nach einer Plasmaaktivierung im Vakuum unter Druck miteinander verbunden. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silicium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.