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Energie-Nachrichten

Solar: Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln

Forscher des Fraunhofer-Instituts f黵 Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann. Das Ergebnis wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Energy ver鰂fentlicht.

Solarzellen aus Silicium dominieren heute den globalen Photovoltaikmarkt mit einem Anteil von rund 90 Prozent. Forschung und Industrie arbeiten sich mit neuen technologischen Entwicklungsschritten an die theoretische Wirkungsgradgrenze des Halbleitermaterials Silicium heran. Gleichzeitig gehen sie neue Wege, um eine neue Generation von noch effizienteren Solarzellen zu entwickeln.

Die jetzt erzielte hohe Umwandlungseffizienz einer Mehrfachsolarzelle auf Silicium erreichten die Forscher durch 0.002 mm d黱ne Halbleiterschichten weniger als ein zwanzigstel der Dicke eines Haars 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 l鋘gerwelliges Licht schlie遧ich in Silicium. So k鰊nen die Wirkungsgrade heutiger Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden.

"Die Photovoltaik ist eine der wichtigsten S鋟len f黵 die Energiewende", sagt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. "Die Kosten sind inzwischen so weit gesunken, dass die Photovoltaik eine wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Energien darstellt. Aber diese Entwicklung ist noch lange nicht am Ende, und das neue Ergebnis zeigt, wie wir durch h鰄ere Wirkungsgrade den Materialverbrauch reduzieren und damit nicht nur die Kosten noch weiter optimieren, sondern Solarstrom auch ressourcenschonend herstellen k鰊nen."

Bereits im November 2016 hatten die Freiburger Solarforscher mit ihrem Industriepartner EVG einen Wirkungsgrad von 30,2 Prozent demonstriert und diesen im M鋜z 2017 auf 31,3 Prozent erh鰄t. Nun konnten sie die Lichtabsorption und die Ladungstrennung im Silicium noch einmal deutlich verbessern und damit einen neuen Rekordwert von 33,3 Prozent erzielen. Die Rekordzelle mit dem neuen Ansatz gleicht von au遝n einer herk鰉mlichen Solarzelle mit zwei Kontakten und kann somit leicht in Photovoltaikmodule integriert werden. Die Technologie hat auch die Jury der GreenTec Awards 2018 黚erzeugt, sie w鋒lte diese Entwicklung unter die Top drei in der Kategorie Energie.

Die Technologie

Beim Konzept der Mehrfachsolarzellen 黚ertrugen die Forscher 1.9 祄 Mikrometer d黱ne III-V-Halbleiter璼chichten auf Silicium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Die Oberfl鋍hen wurden in einer EVG580 ComBond Kammer im Hochvakuum mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und anschlie遝nd unter Druck miteinander verpresst. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfl鋍he Bindungen mit dem Silicium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herk鰉mliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und R點kseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

Die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis weist eine Abfolge von 黚ereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silicium (Si) auf, die intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die GaAs-Zelle zwischen 500 und 890 nm und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 nm. Die III-V Schichten wurden zun鋍hst auf einem GaAs Substrat epitaktisch abgeschieden und dann auf eine speziell angepasste Siliciumsolarzellenstruktur gebondet. Hierbei wurden auf der Vorder- und R點kseite des Siliciums Tunneloxid passivierte Kontakte (TOPCon) aufgebracht. Anschlie遝nd wurde das GaAs Substrat entfernt, ein nanostrukturierter R點kseitenkontakt zur Wegl鋘genverl鋘gerung des Lichts aufgebracht sowie ein Vorderseiten Kontaktgitter und eine Antireflexbeschichtung.

Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle m黶sen die Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silicium weiter gesenkt werden. Hier liegen gro遝 Herausforderungen, die die Freiburger Fraunhofer-Forscher in zuk黱ftigen Entwicklungsvorhaben in ihrem neu entstehenden Zentrum f黵 h鯿hsteffiziente Solarzellen l鰏en wollen. Dort sollen sowohl III-V- als auch Siliciumtechnologien der n鋍hsten Generation entwickelt werden. Zielsetzung ist es, in Zukunft h鯿hsteffiziente Solarmodule mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu erm鰃lichen.

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