Fraunhofer ISE stellt zwei Wirkungsgradrekorde für PV-Zellen auf

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Presseinformation vom 29.8.2019

Fraunhofer ISE stellt zwei Wirkungsgradrekorde für monolithische Dreifachsolarzellen auf Siliciumbasis auf

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, den Wirkungsgrad für monolithische Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silicium nochmals zu erhöhen. Diese Mehrfachsolarzellen nutzen durch die Kombination von mehreren Absorbermaterialien das Sonnenspektrum energetisch deutlich besser aus als konventionelle Siliciumsolarzellen. Der Weltrekord für eine durch Waferbonden hergestellte monolithische Mehrfachsolarzelle konnte auf 34,1 % verbessert werden. Für eine Siliciumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten wurde ein neuer Wirkungsgradrekord von 24,3 % erzielt.

»Monolithische Mehrfachsolarzellen gelten als Hoffnungsträger für die Weiterentwicklung der heute dominierenden Siliciumsolarzellen, weil sich mit ihnen deutlich höhere Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom realisieren lassen. Wir halten Wirkungsgrade von 36 % für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Siliciumsolarzelle von 29,4 % deutlich übertroffen wird«, erklärt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. Die hohe Effizienz erlaubt es, mehr Leistung pro Fläche zu generieren und damit Materialien für Solarzellen und Modulmaterialien einzusparen – ein wichtiger Aspekt für die Nachhaltigkeit der Photovoltaik.
Für die hocheffiziente Mehrfachsolarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Siliciumsolarzelle aufgebracht. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid zwischen 300 – 660 nm (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid zwischen 600 – 840 nm (nahes Infrarotlicht) und Silicium zwischen 800 – 1200 nm (längerwelliges Licht). So können die Wirkungsgrade von Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden. Da sie wie eine normale heutige Siliciumsolarzelle über jeweils einen Kontakt auf Vorder- und Rückseite verfügen, lassen sich die Solarzellen leicht in Solarmodule integrieren.

Mehrfachsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten: 24,3 % Wirkungsgrad

Eine andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten (GaInP/GaAs) auf die Siliciumsolarzelle. Dieses Verfahren erfordert deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teureren GaAs-Substrats, weshalb es für eine industrielle Umsetzung der Technologie vorteilhaft ist. Allerdings muss die atomare Struktur sehr gut kontrolliert werden, so dass die Gallium- und Phosphor-Atome an der Grenzfläche zu Silicium die korrekten Gitterplätze einnehmen. Auch können Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen. »Hier konnten wir einen wichtigen Fortschritt erzielen – die Stromgeneration in den drei Teilzellen leidet kaum noch unter diesen Defekten, sodass wir weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 % für diese Technologie realisieren konnten«, so Dr. Frank Dimroth. »Das Potenzial entspricht demjenigen der wafergebondeten Zelle und hier haben wir in den nächsten Jahren noch einige Entwicklungsarbeit vor uns, um dies zu demonstrieren«. Im Dezember 2018 hatte das Fraunhofer ISE eine solche Solarzelle mit einem Wirkungsgradrekord von 22,3 % vorgestellt.
Auf dem Weg zu einer industriellen Massenfertigung von monolithischen Mehrfachsolarzellen sehen die Fraunhofer ISE-Forscher Herausforderungen insbesondere in einem kostengünstigen Prozess zur Herstellung der III-V-Halbleiterschichten.
Die Arbeiten zu der wafergebondeten Solarzelle werden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Projekt PoTaSi, FKz. 0324247). Die Arbeiten zu der direkt gewachsenen Zelle, an der als Partner Aixtron SE, die TU Ilmenau und die Philipps-Universität Marburg beteiligt waren, wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Projekt MehrSi, FKz. 03SF0525A).

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