MehrSi – Hocheffiziente III-V Mehrfachsolarzellen auf Silicium

III-V-Mehrfachsolarzellen erreichen höchste Wirkungsgrade für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom bis zu 38% bei einer Sonne. Herkömmliche Siliciumsolarzellen können solch hohe Wirkungsgrade nicht erzielen. Allerdings sind die Kosten der III-V-Halbleiter noch zu hoch, um deren Einsatz in Flachmodulen zu rechtfertigen. Daher untersuchen wir in diesem Projekt, wie beide Technologien vereint werden können, indem dünne III-V-Halbleiterschichten direkt auf einem Silicium pn-Übergang abgeschieden werden. Auf dieser Basis entwickeln wir Mehrfachsolarzellen die Wirkungsgrade über 30 % erreichen sollen.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt »MehrSi« entwickeln wir Tandemsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silicium. Hierbei wird das Sonnenlicht in zwei oder sogar drei Spektralbereiche aufgeteilt und in III-V-Materialien wie GaInP bzw. GaAsP sowie Silicium absorbiert und in Strom gewandelt. Wir entwickeln Prozesse, die es erlauben, die III‑V-Schichten direkt auf einer Si-Unterzelle aufzuwachsen. Hierbei gilt es zu sicherzustellen, dass die Siliciumsolarzelle durch das III-V-Wachstum nicht degradiert. Weiterhin muss der Übergang zwischen dem Silicium und den III-V-Halbleitern-, sowie der Übergang in der Gitterkonstante (Abstand der Atome im Kristall) zwischen den Materialien realisiert werden. Gemeinsam mit der TU Ilmenau untersuchen wir die Grenzfläche zwischen Si und GaP und versuchen hier eine geringe Defektdichte zu erreichen. Mit der Philipps Universität Marburg optimieren wir die Übergangsschichten in der Gitterkonstante zwischen der Si- und der GaInP- bzw. GaAsP-Solarzelle. Hier geht es darum, Fehlanpassungsversetzungen in der Ebene zu bilden und den Kristall gezielt zu relaxieren, ohne dabei Versetzungen zu erzeugen, die sich durch die III-V-Solarzellen fortsetzen. Mit der Firma Aixtron entwickeln wir Wachstumsbedingungen, die eine kostengünstige Fertigung durch hohe Wachstumsrate von bis zu 100 µm/h erlauben.

Wir haben 2016 bereits wichtige Fortschritte erzielt und erstmals eine direkt gewachsene Dreifachsolarzelle auf Silicium demonstriert (Abb.1). Die Solarzelle weist eine Effizienz von 19,7% unter dem AM1.5g Spektrum auf. Die Quanteneffizienz ist in Abb. 2 dargestellt und zeigt die Aufteilung zwischen den drei Teilzellen aus GaInP, GaAs und Si. Die oberen III-V Solarzellen weisen noch eine hohe Defektdichte in der Größenordnung von 10⁸ cm^-2 auf und wir arbeiten daran hierfür bessere Ergebnisse zu erzielen. Dann sind Wirkungsgrade von über 30% erreichbar.