Entscheidender Fortschritt bei Mehrfachsolarzellen gelungen

Herzogenrath, 15. September 2020 – Eine zentrale Etappe bei der Entwicklung von wirtschaftlichen Lösungen für die industrielle Nutzung von Mehrfachsolarzellen für die Stromerzeugung ist geschafft. Erstmals ist bei einer direkt auf einem Siliziumsubstrat gewachsenen Mehrfachsolarzelle ein Wirkungsgrad von 25,9 Prozent erreicht worden.

Diesen Rekordwert haben die Forscher des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in enger Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau, der Philipps Universität Marburg und den Epitaxie-Experten der AIXTRON SE, einem führenden Anbieter von Depositionsanlagen für die Halbleiterindustrie, im Rahmen des geförderten Projekts „MehrSi“ erzielt. Im Team zusammen mit den Wissenschaftlern des Fraunhofer ISE gelang die Optimierung der Schichtstruktur und der Technologie.

Schlüsseltechnologie Tandem-Photovoltaik  

„Erstmals konnten wir jetzt eine Tandem-Solarzelle auf Basis eines Silizium-Wafers mit einem so hohen Wirkungsgrad realisieren“, sagt Dietmar Schmitz, Vice President Corporate Technology Transfer bei der AIXTRON SE. Bislang erfolgte die Herstellung der III-V-Mehrfachsolarzellen auf einem teureren Substratmaterial, zum Beispiel ebenfalls einem Verbindungshalbleiter-Material.

Dietmar Schmitz betont das Besondere an dieser Grundlagenforschung: „Die Gallium- und Phosphor-Atome müssen an der Grenzfläche zum Silizium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Um das zu erreichen, müssen wir die atomare Struktur sehr gut kontrollieren. Das setzt eine außergewöhnlich hohe Präzision voraus. Außerdem ist für die notwendige hohe Qualität der Epi-Wafer entscheidend, dass eine hohe Kristallqualität aller Schichten beim epitaktischen Wachstum erreicht wird. Dies gelang in dem Projekt dank der von AIXTRON entwickelten verbesserten Anlagentechnologie und der guten Zusammenarbeit mit den Projektpartnern.“    

Niedriger Preis – Hohe Kostenattraktivität von Silizium-Wafer

Bei dieser sogenannten Tandem-Photovoltaik werden unterschiedliche Kombinationen leistungsstarker Solarzellenmaterialien in Schichten übereinander angeordnet, um so die verschiedenen Wellenlängen des Sonnenlichts bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie effizienter zu nutzen. Silizium eignet sich für die Absorption des infraroten Anteils des Spektrums des Sonnenlichts. Auf die Silizium-Grundlage werden dann wenige Mikrometer dünne Schichten aus unterschiedlichen III-V-Halbleiterverbindungen aufgetragen, die das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln. Die Tandem-Photovoltaik ist eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Die auf einem Siliziumsubstrat gewachsenen Mehrfachsolarzellen sind aufgrund des verwendeten Siliziums kostengünstiger als Solarzellen auf Basis anderer Substrate.

Arbeiten am schnelleren Kristallwachstum zur weiteren Senkung der Herstellungskosten

Von der nun erreichten technologischen Grundlage aus arbeiten die Verbundpartner mit Hochdruck an der weiteren Steigerung der Effizienz und Reduzierung der Herstellungskosten. Dafür soll die Abscheidung der Schichten noch schneller, mit höherem Durchsatz und damit kostenoptimaler realisiert werden. Darüber hinaus soll die Effizienz der Solarzellen weiter verbessert werden. „Konkret soll die Versetzungsdichte in den III-V-Solarzellenschichten von 108 cm-2 in den Bereich von 1-5*106 cm-2 gesenkt werden, um die Wirkungsgrade auf mehr als 30 Prozent zu steigern. Und nicht zuletzt soll die Wirtschaftlichkeit der Epitaxie-Verfahren weiter optimiert werden“, erläutert Professor Dr. Michael Heuken, Vice President Corporate Research & Development der AIXTRON SE.

Durch kostengünstigere Verfahren im Zusammenspiel mit Silizium als unterster Teilzelle soll die Tandem-Technologie in Zukunft auch für die breite Photovoltaik zugänglich gemacht werden. An solchen III-V-Mehrfachsolarzellen auf Silizium arbeitet AIXTRON mit einigen Verbundpartnern bereits seit mehreren Jahren.

Das Projekt „SiTaSol“ zur gemeinsamen Entwicklung von möglichst schnell und preisgünstig herstellbaren Schichtpaketen wird von der EU gefördert. AIXTRON hat bei „SiTaSol“ eine speziell optimierte Epitaxie-Anlage (Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy, kurz MOVPE) im eigenen Labor aufgebaut und getestet.

Weiter Informationen zum Thema Tandem-Photovoltaik unter www.ise.fraunhofer.de

Zum Herunterladen des Fotos (Mehrere III-V Tandemsolarzellen auf einem Silicium Substrat mit 10 cm Durchmesser. © Fraunhofer ISE /Foto: Markus Feifel) klicken Sie bitte

hier. 

Das Projekt „SiTaSol“ wird von der EU (Fördernummer: 727497) und das Projekt „MehrSi“ vom Bundesforschungsministerium BMBF (Fördernummer: 03SF0525D) gefördert.

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