Solarzellen aus III-V Halbleitermaterialien erreichen die höchsten Wirkungsgrade für die photovoltaische Energiekonversion. Der Marktbereich III-V: Epitaxie, Solarzellen und Bauelemente deckt den gesamten Entwicklungsprozess hocheffizienter III-V Solarzellen von der Simulation über die Epitaxie und Prozessierung bis hin zur Charakterisierung ab.

Die Anwendungsgebiete von III-V Solarzellen erstrecken sich von der Energieversorgung von Satelliten im Weltraum über konzentrierende PV-Systeme (CPV) bis zu Spezialanwendungen wie beispielsweise der Laser-Leistungsübertragung. Deshalb arbeiten wir an verschiedenen, hocheffizienten Solarzellenkonzepten für diese Anwendungsfelder.

Die Entwicklungsarbeiten der Arbeitsgruppe wurden durch zahlreiche Wissenschaftspreise ausgezeichnet:

• Deutsch-Französischer Wirtschaftspreis 2011
• FEE Innovationspreis Energie 2010 (2. Platz)
• Preis der Fondation Louis D 2010 (höchstdotierter Französischer Wissenschaftspreis)
• Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2010
• Europäischer Innovationspreis EARTO 2010
• Becquerel-Preis 2009

Wir analysieren und optimieren das epitaktische Wachstum von III-V Halbleitermaterialien auf III-V-, Ge- und Si-Substraten. Unsere Kompetenzen umfassen insbesondere das Wachstum von epitaktischen Schichtstrukturen. Einen Schwerpunkt bildet das metamorphe Wachstum von Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Gitterkonstante.

Weiterhin untersuchen wir Wachstumsprozesse für neuartige Verbindungen wie GaInNAs.

Für die Schichtherstellung stehen uns zwei modernste MOVPE-Reaktoren im Industriemaßstab zur Verfügung: ein AIX-2600-G4R-Reaktor mit 8x6-Zoll Konfiguration sowie ein CRIUS Showerhead-Reaktor für 7x4-Zoll oder 1x300 mm Substrate.

Das epitaktisch hergestellte Material können wir mit verschiedenen Methoden charakterisieren. Diese umfassen beispielsweise ECV-Profiling, Photolumineszenz, Röntgenbeugung, Nomarski Interferenz-Kontrast Mikroskopie, EBIC, AFM oder Hall van der Pauw Messungen.

Wir untersuchen hauptsächlich folgende Materialsysteme:
GaAs, AlGaAs, GaInP, AlGaInP, GaAsP, GaInAs, GaInNAs

Substrate:
GaAs, Ge, InP, Si

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)

Wir entwickeln Solarzellen aus einer Vielzahl von III-V Halbleitermaterialien. Die Solarzellenstrukturen werden für spezifische Anwendungen – wie z.B. Satelliten, PV-Konzentratorsysteme oder Laser-Leistungsübertragung – optimiert. So stehen Strukturen zur Verfügung, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2000 nm und bei Bestrahlungsstärken von einigen Milliwatt/cm² bis zu Megawatt/cm² in elektrische Energie umwandeln können.

Die Halbleiterstrukturen werden in unseren beiden MOVPE-Reaktoren epitaktisch hergestellt. Zur Prozessierung der Solarzellen steht modernste Reinraumtechnologie zur Verfügung.

Solarzellen können im Photovoltaik-Kalibrierlabor CalLab des Fraunhofer ISE charakterisiert werden. Neben der Entwicklung neuer Solarzellenkonzepte bieten wir auch kundenspezifische Solarzellen in geringen Stückzahlen an.

Forschungsschwerpunkte liegen auf:

• GaAs-Einfachsolarzellen für Anwendungen unter einer Sonne und unter Konzentration
• Dreifachsolarzellen (gitterangepasst und metamorph)
• III-V Mehrfachsolarzellen mit ein bis sechs Teilzellen
• Laserleistungssolarzellen
• Monolithisch verbundene Module (MIMs)
• Wachstum von III-V Halbleitern auf Silicium
• Solarzellen für die Thermophotovoltaik (TPV)

Erreichte Wirkungsgrade:
41.1% @ 450 Sonnen (Ga _0.35 In _0.65 P/Ga _0.83 In _0.17 As/Ge Dreifachsolarzelle)
29.1% @ 117 Sonnen (GaAs-Einfachsolarzelle)
26.4% @ 1 Sonne (GaAs-Einfachsolarzelle)

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)

Die präzise Bestimmung der Leistungsdaten photovoltaischer Bauelemente spielt eine bedeutende Rolle sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch bei der Produktion. Das CalLab des Fraunhofer ISE vermisst alle Typen von Solarzellen präzise gemäß internationalen Standards.

Auch im Bereich der Charakterisierung von III-V Mehrfachsolarzellen können wir auf langjährige Erfahrungen zurückgreifen. Es stehen verschiedene Teststände zur Verfügung:

Spektrale Empfindlichkeit von Mehrfachsolarzellen
Die Messung der spektralen Empfindlichkeit, bzw. der externen Quanteneffizienz von Mehrfachsolarzellen wird an unserem Gittermonochromator-Teststand durchgeführt, der speziell für die Vermessung von Mehrfachsolarzellen erweitert wurde. Die flexibel gestaltete zusätzliche Biasbestrahlung ermöglicht die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit von Solarzellen mit bis zu sechs Teilzellen.

Kalibrierte IV-Kennlinienmessung
Die Strom-Spannungskennlinie von Mehrfachsolarzellen bei Standardtestbedingungen wie z.B. AM0 für Weltraum- und AM1.5d für Konzentratoranwendungen messen wir mit unserem Dreilichtquellensimulator. Mit diesem Simulator können wir beliebig variierende spektrale Bedingungen einstellen. Mit der spektrometrischen Charakterisierung quantifizieren wir dann das Verhalten von Mehrfachsolarzellen bei Veränderung des eingestrahlten Spektrums.
Zusätzlich entwickeln wir einen neuen Sonnensimulator mit sechs unabhängigen Lichtquellen zur kalibrierten Vermessung von Solarzellen mit bis zu sechs pn-Übergängen.
Für die Vermessung von Konzentratorsolarzellen steht ein Blitzlichtsimulator zur Verfügung. Dieser erlaubt die Bestimmung der IV-Kennlinie von Konzentratorsolarzellen bei verschieden starker Lichtkonzentration (bis zu Konzentrationsfaktoren von mehr als 5000).

Weitere Messungen und Dienstleistungen:

• Vermessung von Konzentratormodulen
• Kalibrierung von Solarzellen und photovoltaischen Flachmodulen

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)

III-V Mehrfachsolarzellen sind sehr komplexe Strukturen. Numerische Simulationen können somit den Entwicklungsprozess deutlich beschleunigen. Wir verwenden verschiedene Simulationswerkzeuge zur Analyse und Optimierung der Solarzellenstrukturen.

Zur Abschätzung des Wirkungsgradpotenzials neuer Solarzellenkonzepte steht das am Fraunhofer ISE entwickelte Programm etaOpt zur Verfügung, welches hier heruntergeladen werden kann. Das Programm erlaubt die Bestimmung der idealen Bandlückenkombination für verschiedene Teilzellanzahlen, Temperaturen und Referenzspektren. Mit einer Erweiterung dieses Modells kann auch der Einfluss spektraler Schwankungen an verschiedenen Standorten im Tages- und Jahresverlauf analysiert werden.

Die Halbleiterschichtstruktur wird mit dem Programm PVObjects bzw. mit Sentaurus TCAD von Synopsys modelliert. Die 2D-Simulation erfasst insbesondere die für die Modellierung von III-V Solarzellen wichtigen physikalischen Phänomene: optische Interferenz, Generation und Rekombination von Ladungsträgern, Ladungsträgertransport an Heteroübergängen, Tunnelprozesse sowie Photon-Recycling. Dadurch ermöglichen die verwendeten Simulationswerkzeuge eine detaillierte Analyse und realitätsnahe Optimierung der Halbleiterschichten von Solarzellen.

Zur Optimierung der Vorderseitenkontaktstruktur sowie des Stromflusses innerhalb der kompletten Solarzelle werden Netzwerkmodelle verwendet. Die Solarzelle wird dabei als Netzwerk aus elektrischen Komponenten modelliert.

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)

Wir entwickeln photovoltaische Zellen aus III-V Halbleitern, welche sich perfekt für die kontaktlose Leistungs- und Signalübertragung mit einem Laser eignen. Diese Technologie weist große Vorteile für Anwendungen auf, in denen Funkenbildung oder Stromfluss vermieden werden muss. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind rotierende Systeme oder schwer zugängliche Orte. Die Leistungs- und Signalübertragung kann durch Luft oder durch Lichtleiter erfolgen.

Bei Bestrahlung mit monochromatischem Licht erreichen Photovoltaikzellen Wirkungsgrade von über 50 %. Der Schlüssel für die hohen Wirkungsgrade ist eine Abstimmung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts mit der Bandlücke der photovoltaischen Zelle. Mit GaAs-basierten Laserleistungszellen konnten wir an unserem Institut Wirkungsrade von bis zu 54,9% erreichen, gemessen mit einer Laserwellenlänge von 810 nm.
Zudem haben wir verschaltete Laserleistungszellen entwickelt, die Ausgangsspannungen von 2 Volt, 4 Volt und 6 Volt liefern. Als höchster Wirkungsgrad wurde ein Wert von 50,1% bei 51,6 W/cm ² für das 4V-Design erreicht.

Bisher haben wir diese Zellen auf GaAs-Basis (1.4 eV) entwickelt. Die Zellen sind ebenso auf GaInP (1.7 eV) und auf GaInAs-Basis (bis 1.1 eV) realisierbar.

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)