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Fraunhofer ISE und EVG: Si-Solarzellen mit Rekordeffizienz von 33,3 %

Einen Wirkungsgrad von 33.3 Prozent erreichen die neuen Multi-Junction-Photozellen auf Siliziumbasis, die das Fraunhoferinstitut ISE und die EV Group entwickelt haben.

Die siliziumbasierten Multi-Junction-Solarzellen, die das Fraunhofer ISE und die EVG entwickelt haben, erreichen einen Wirkungsgrad von 33 Prozent und sollen einmal die wirtschaftliche Fertigung von PV-Modulen mit Wirkungsgraden über 30 Prozent ermög Bildquelle: © Fraunhofer ISE/Photo: Dirk Mahler

Die siliziumbasierten Multi-Junction-Solarzellen, die das Fraunhofer ISE und die EVG entwickelt haben, erreichen einen Wirkungsgrad von 33 Prozent und sollen einmal die wirtschaftliche Fertigung von PV-Modulen mit Wirkungsgraden über 30 Prozent ermöglichen.


Damit haben das Fraunhoferinstitut ISE und die EV Groupe (EVG) den Rekord von vor einem Jahr noch einmal um 2 Prozentpunkte verbessert, was die  die Jury des GreenTec Awards 2018 bereits veranlasst hat, sie für die Kategorie »Energie« zu nominieren.

Derzeit nähert sich der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen ihrem theoretischen Maximalwert. Gibt es einen Weg zu Solarzellen mit noch höherem Wirkungsgrad?  Die Forscher haben sich eines Tricks bedient: Sie schichteten hauchdünne Lagen (0,002 mm) von III-V-Halbleitern übereinander und bondeten sie auf eine Solarzelle. Das sichtbare Sonnenlicht absorbiert die obersten Schichten aus Gallium-Indium-Phoshid (GaInP), das nahe Infrarot verwandeln die GaAs-Schichten in Strom und das noch langwelligere Licht setzt schließlich in eine Silizium-Zelle um. So arbeiten alle Schichten entsprechend der Naturgesetzte, insgesamt kommt die zusammengesetzte Zelle aber doch auf einen höheren Wirkungsgrad als ihn jede für sich erreichen könnte.

»Die neuen Ergebnisse zeigen, wie sich der Materialverbrauch verringern und der Wirkungsgrad erhöhen lassen, so dass sich die Kosten der Photovoltaik noch weiter reduzieren«, sagt Dr. Andreas Bett, Direktor des Fraunhofer ISE.

Um die Zellen zu fertigen, bringen die Forscher die III-V-Halbleiterschichten, die nur 1,9 µm dick sind, über einen Direct-Wafer-Bonding-Prozess auf den Si-Wafer auf. Die Deoxidierung findet in dem »ComBond«-Chamber einer EVG580 im Hochvakuum unter Einsatz eines Ionenstrahls statt, anschließend folgt unter Druck das Bonden der Wafer. Die daraus resultierenden Zellen lassen sich so einfach wiew konventrionelle Siliziumsolarzellen auf Vorder- und Rückseite kontaktieren und in die Module integrieren.  

Die ober Zelle absorbiert das Licht im Bereich der Wellenlängen von 300 bis 670 nm, die mittlere GaAs-Schicht im Betreich von 500 bis 890 nm und die untere Si-Subzelle im Bereich von 650 bis 1180 nm. The III-V-Schichten werden zuerst epitktisch auf einem GaAs-Substrat abgeschieden bevor sie auf den Si-Wafer gebondet werden. Auf den Wi-Oberflächen wird ein Tunnel-Oxide-Passivated-Contact (TOPCon) formiert, dann das GaAs-Substrat entfernt und ein nanostrukturierter Rückkontakt angebracht. Auf der Vorderseite wird ein Kontaktgitter und eine Antireflktions-Beschichtung aufgebracht.

Im Moment ist es noch relativ teuer, die III-V-Schichten epitaktisch abzuscheiden und die Verbindungsstrukturen zu realisieren. Um den Prozess zu industrialisieren, müssen diese kosten sinken. Die Forscher des Fraunhofer ISE sehen hier noch Hürden, arbeiten aber dran, sie zu überwinden. Das neue Center for High Efficiency Solar Cells des Fraunhofer ISE, das sich derzeit in Freiburg im Bau befindet, wird dafür die idealen Bedingungen schaffen. Das Ziel besteht darin, PV-Module wirtschaftlich fertigen zu können, die einen Wirkungsgrad von über 30 Prozent erzielen.