Nano-Tandem – Tandemsolarzellen auf der Basis von Nanodrähten

Laufzeit: Mai 2015 - April 2019
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Europäische Union
Kooperationspartner: Lund Universitet (SE), Sol Voltaics AB (SE), Université Paris-Sud (FR), Universiteit Leiden (NL), IBM Research GmbH (CH), Centre National de la Recherche Scientifique (FR)
Webseite: https://nano-tandem.ftf.lth.se/
Projektfokus:
Tandemsolarzelle aus III-V Nanodrähten auf Silicium
© Fraunhofer ISE

Tandemsolarzelle aus III-V Nanodrähten auf Silicium

Großflächige, mittels Nanoimprint Lithographie realisierte Strukturierung eines Templates für die Abscheidung von III-V Nanodrähten auf einem Silicium-Wafer mit 100 mm Durchmesser. Rechts: Elektronenmikroskopaufnahme der strukturierten Oberfläche. Die Resistsäulen mit einem Durchmesser von 200 nm sind in einem Kreuzgitter einer Periode von 1 µm angeordnet.
© Fraunhofer ISE

Großflächige, mittels Nanoimprint Lithographie realisierte Strukturierung eines Templates für die Abscheidung von III-V Nanodrähten auf einem Silicium-Wafer mit 100 mm Durchmesser. Rechts: Elektronenmikroskopaufnahme der strukturierten Oberfläche. Die Resistsäulen mit einem Durchmesser von 200 nm sind in einem Kreuzgitter einer Periode von 1 µm angeordnet.

Silicium-basierte Photovoltaikzellen sind die dominierende Technologie für die terrestrische solare Stromerzeugung. Nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung werden heute im Labor Wirkungsgrade von über 26% erreicht, nahe am theoretischen Limit. Höhere Wirkungsgrade von bis zu 38,8% erreichen bisher nur Mehrfachsolarzellen auf Basis von III-V-Halbleitern. Diese Materialien sind wesentlich teurer als Silicium und daher ist ihre Verwertung in typischen Flachmodulen nicht wirtschaftlich.

Diese Ausgangssituation lässt sich verbessern, indem die Menge an notwendigem III-V Material stark reduziert wird. Ein Weg ist das Wachstum von Nanodrähten, welche nur einen Bruchteil der Solarzellenfläche bedecken und trotzdem zu einer hohen Absorption führen. So wurden bereits Solarzellen aus InP Nanodrähten mit Wirkungsgraden von 13,8% demonstriert, bei denen nur 12% der Oberflächen durch die Nanodrähte bedeckt ist. Die Kombination solcher III-V-Nanodrähte mit einer zweiten Siliciumsolarzelle bietet das Potenzial, gleichzeitig sehr leistungsstarke Bauelemente, effizienten Materialeinsatz und geringe Kosten zu erreichen. In dem Projekt NanoTandem zielen wir darauf ab, eine solche Tandem-Solarzelle mit einem pn-Übergang in III-V Nanodrähten z.B. aus GaInP und einem pn-Übergang in Silicium zu demonstrieren. Die beiden Teilzellen sind intern seriell verschaltet und besitzen nur einen gemeinsamen Vorder- und Rückkontakt. Die Herstellung der Nanodrähte auf Silicium stellt noch große Herausforderungen dar, weshalb unterschiedliche Verfahren untersucht werden. Entweder werden die Drähte direkt auf Silicium epitaxiert oder sie werden auf ein III-V Substrat gewachsen, dann in ein Polymer eingebettet und anschließend auf die Silicium Solarzelle übertragen. Für beide dieser Epitaxieansätze wird am Fraunhofer ISE eine großflächige und skalierbare Vorstrukturierung der Substrate mittels Nanoimprint Lithographie entwickelt. Insgesamt sollen Wirkungsgrade von > 25% demonstriert werden. Weiterhin beschäftigt sich das Konsortium im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse mit dem Thema der Nachhaltigkeit dieser neuen Technologie. So sollen negative Auswirkungen auf die Umwelt und Gesundheit von vornherein ausgeschlossen werden.