Solarzelle

Fraunhofer ISE erreicht neuen Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzellen

Mit einer Mehrfachsolarzelle aus Silicium und III-V-Halbleitern hat das Fraunhofer ISE nun einen Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent erreicht. Das Besondere daran: Die Halbleiterschichten sind direkt auf dem Silicium gewachsen. Ein Erfolg, an dem die Forscher zehn Jahre gearbeitet haben.

Zehn Jahre Forschung stecken in dem Erfolg des Fraunhofer ISE.

Mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleitermaterialien versuchen Forscher, den theoretisch mit dem Material Silicium erreichbaren Wirkungsgrad von 29,4 Prozent, zu übertreffen und damit die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom noch effizienter zu gestalten. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination von Siliciummaterial mit III-V-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid. Eine Realisierungsoption ist, die III-V Solarzellenstrukturen auf teure Galliumarsenid-Substrate abzuscheiden und diese danach mittels der Halbleiter-Bondingtechnologie auf eine Siliciumsolarzelle zu übertragen und das Galliumarsenid-Substrat weg zu ätzen.

Günstigeres Verfahren

Ein deutlich kostengünstiger Realisierungsweg ist ein direktes Wachstum der III-V Schichten auf die Siliciumsolarzelle. Hierzu ist es allerdings notwendig, die atomare Struktur sehr gut zu kontrollieren und zu erreichen, dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Weiterhin muss der Abstand der Atome im Kristallgitter vergrößert werden, um schließlich das Material Galliumarsenid herzustellen. An diesen Herausforderungen arbeiten die Forscher seit mehr als zehn Jahren. Nun ist es ihnen gelungen, die Defektdichten in den III-V Halbleiterschichten auf Silicium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si-Tandemsolarzelle mit einem neuen Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent herzustellen. Der Wert wurde am 25. Dezember 2018 in die international anerkannte Tabelle der besten Solarzellen der Welt aufgenommen.

"Wir freuen uns sehr über dieses schöne Ergebnis für das Direktwachstum von III-V-Halbleiter auf Silicium, ein sehr wichtiger Forschungsansatz für Tandemsolarzellen", sagt Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. "Derzeit entsteht bei uns in Freiburg ein neues Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen, das ab 2020 unsere Arbeiten zu Tandemsolarzellen beherbergen wird. Wir erwarten dann mit noch besserer technischer Infrastruktur eine Beschleunigung der Entwicklung von Mehrfachsolarzellen auf Siliciumbasis."

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