SiTaSol – Anwendungsrelevante Validierung von c-Si basierten Tandemsolarzellenprozessen mit 30% Zielwirkungsgrad

Solarzellen aus kristallinem Silizium dominieren den Photovoltaik-Markt aufgrund der hohen Verfügbarkeit des Si-Materials, niedriger Kosten und langjähriger Erfahrung mit der Zuverlässigkeit. Allerdings sind die Umwandlungswirkungsgrade einer Silicium-Einfachsolarzelle begrenzt. Dagegen haben III-V Mehrfachsolarzellen schon heute gezeigt, dass die Stromerzeugung auf der gleichen Fläche beinahe verdoppelt werden kann.

Dies ist eine wichtige Motivation, um an höchsteffizienten siliciumbasierten Mehrfachsolarzellen zu arbeiten, denn durch die hohe Effizienz sinken Ressourcenverbrauch und ökologischer Fußabdruck. Aber die Kosten der neuen Solarmaterialien müssen um einen Faktor 100 gesenkt werden, um im Wettbewerb mit etablierten Technologien konkurrieren zu können. Hierzu werden in dem EU Projekt SiTaSol Tandemsolarzellen aus Ga(In)AsP auf Si untersucht. Die III-V Schichten mit einer Dicke von nur 2-5 µm werden entweder direkt auf das Silicium abgeschieden oder von einem GaAs Substrat durch einen Ablöseprozess transferiert. Wir verfolgen beide Ansätze innerhalb der ersten Hälfte des Projekts, um uns dann auf die vielversprechendere Variante zu konzentrieren. Wesentliche Zielsetzungen liegen darin, kostengünstige Prozesse für eine industrielle Produktion dieser Solarzellen zu entwickeln und zu testen. Hierzu gehören Herstellungsverfahren für kostengünstige Silicium-Substrate, welche für die III-V Epitaxie geeignete Oberflächen­eigenschaften besitzen. Weiterhin sollen kostengünstigen Abscheideprozesses für die III-V Schichten, inklusive Abgasaufbereitung und Recycling von Metallen, und Prozesse zum Ablösen und Übertragen der III-V-Epitaxieschicht auf die Silicium-Solarzelle entwickelt werden.  Es werden eine Reihe von grundlegenden Arbeiten durchgeführt und neue Technologien auf ihre industrielle Anwendbarkeit hin getestet. Ziel ist es, Tandemsolarzellen mit einer Umwandlungs­effizienz von 30% zu demonstrieren und dabei kostengünstige Prozessrouten einzusetzen. Aus diesen Solarzellen soll auch ein kleines Demonstrationsmodul gebaut werden. Neben diesen technologischen Entwicklungen findet eine Lebenszyklusanalyse statt, in welcher Stoff- und Energieströme ebenso betrachtet werden, wie Gefahren, welche von toxischen Ausgangsstoffen ausgehen. Die Entwicklung neuer Photovoltaiktechnologien soll sich von vornherein an hohen Umweltstandards orientieren.

Im Laufe des Projekts konnten bereits Verfahren zur Herstellung kostengünstiger Si Substrate für die Epitaxie identifiziert werden. Weiter haben wir durch selbstorganisierte Nanostrukturen kostengünstige Prozesse identifiziert, mit denen Silicium-Unterzellen mit planer Vorderseite und hoher Absorption hergestellt werden können. Die Abscheidung der III-V Schichten durch Hochratenepitaxie erscheint vielversprechend, ebenso wie die Herstellung der Metallkontakte über Druck- und Galvanikprozesse. Auch bei der Lebenszeitanalyse zeigt sich, dass der hohe Wirkungsgrad der Tandemsolarzellen positive Auswirkungen hat.

Neben der Anwendung in der Photovoltaik unterstützt das Projekt die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie durch innovative Lösungen zur Senkung der Herstellungskosten von III-V-Werkstoffen, die in vielen Produkten wie Laptops, Sensoren, Leuchtdioden Anwendung finden.