PoTaSi – Demonstration des Potentials von monolithischen Tandemsolarzellen aus III-V Halbleitern und Silicium

Laufzeit: 10/2017 - 09/2020
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektfokus:
Dreifach-Solarzelle mit dünnem Schichtstapel aus epitaktisch gewachsenen III-V Verbindungshalbleitern
© Fraunhofer ISE
Dreifach-Solarzelle mit dünnem Schichtstapel aus epitaktisch gewachsenen III-V Verbindungshalbleitern
IV-Kennlinien der ersten und zweiten Generation an III-V//Si Tandemsolarzellen
IV-Kennlinien der ersten und zweiten Generation an III-V//Si Tandemsolarzellen

Den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern ist einer der wesentlichen Faktoren, um die Stromgestehungskosten weiter zu senken. Mehrfachsolarzellen machen das möglich, indem das Sonnenspektrum in den Teilzellen effizienter umgewandelt wird. Im Projekt »PoTaSi« werden Tandemsolarzellen aus III-V Halbleitern auf einer Siliciumsolarzelle hergestellt und analysiert, wobei die monolithische Integration der Teilzellen mittels Waferbonding erfolgt. Das Ziel ist die Bestimmung des technologischen Potentials dieser Tandemtechnologie anhand von optimierten Zellstrukturen, kalibrierten Messungen und optoelektronischer Simulation. Dazu werden in allen Bereichen die besten verfügbaren Technologien eingesetzt und weiterentwickelt.

Höhere Wirkungsgrade von Solarzellen bei gleichbleibenden bzw. sogar niedrigeren Herstellungskosten sind ein zentrales Entwicklungsziel im Bereich der Photovoltaik, um die Stromgestehungskosten zu senken. Zudem erlauben höhere Wirkungsgrade signifikante Einsparungen bei Zell- und Modulkomponenten wie Halbleitermaterial, Metallen, Glas, Rahmen, Verbindern oder EVA und tragen somit zu einer höheren Nachhaltigkeit und geringerem Ressourcenverbrauch bei. Silicium-Solarzellen dominieren derzeit den PV-Markt mit einem Anteil von über 92 %. Aufbauend auf dieser hohen Marktdurchdringung ist eine Tandemzelle mit Silicium als Unterzelle und einer Oberzelle aus dünnen III-V Halbleiterschichten ein besonders vielversprechender Ansatz, um eine substantielle Wirkungsgraderhöhung über den maximalen theoretischen Wirkungsgrad für Silicium von 29.4 % hinaus zu realisieren.

Tatsächlich konnte kürzlich im Rahmen des Projekts am Fraunhofer ISE erstmals eine Dreifachsolarzelle aus AlGaInP/AlGaAs//Si mit einer Fläche von 4 cm2 demonstriert werden, welche einen Wirkungsgrad von 34.1 % unter dem AM1.5g Spektrum aufweist. Die III-V Halbleiterschichten haben dabei nur eine Dicke von etwa 5 μm und wurden mittels Wafer-Bonden von einem GaAs Substrat auf Silicium übertragen (monolithische Integration). Dies ist der Nachweis einer monolithischen Tandemsolarzelle mit Silicium, welche nur 2 Kontakte und trotzdem einen Wirkungsgrad über dem theoretischen Limit (Shockley-Queisser) von Einfachsolarzellen aufweist. Gleichzeitig ist bekannt, dass durch eine weitere Anpassung der Struktur Wirkungsgrade von bis zu 37 % möglich sind. Hierzu gilt es die Qualität der III-V Absorber weiter zu verbessern und Verluste durch unterschiedliche Stromgeneration in den Teilzellen zu vermeiden. Bei der Silicium-Unterzelle wurde bereits eine Oberflächen-Passivierung mittels passivierender Kontakte realisiert. Außerdem wurde die Absorption durch optische Strukturen zur Lichtlenkung auf der Rückseite verbessert.

Die technologische Optimierung wird durch optische und elektrische Simulationen unterstützt, welche Hand in Hand zu einer Maximierung des Wirkungsgrades führen. In diesem Projekt werden monolithische III-V//Si Dreifachsolarzellen mit Wirkungsgraden im Bereich von 35% angestrebt. Neben der hohen Effizienz verspricht das Zellkonzept eine sehr hohe Stabilität (vernachlässigbare Degradation), wie sie bereits von III-V Weltraumsolarzellen bekannt ist.

Weitere Informationen zum diesem Forschungsthema:

Geschäftsfeldthema

Siliziummaterial und Halbleitersubstrate

Geschäftsfeld

Photovoltaik – Materialien, Zellen und Module