Virtual Lab CEA – Fraunhofer ISE for Ultra High Efficiency Photovoltaics

Ultra-dünne Zellen auf Metallfolie mit recycelbaren Substraten

Laufzeit: April 2014 - August 2016
Kooperationspartner: CEA-LETI (Grenoble), INES (Chambéry)
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Trennen der ultra-dünnen Solarzelle auf Metallfolie vom Wachstumssubstrat durch nasschemisches, selektives Ätzen.

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Ultra-dünne Mehrfachsolarzellen prozessiert auf einer dünnen, flexiblen Metallfolie.

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Strom-Spannungskennlinien einer ultra-dünnen Solarzelle unter verschiedenen Spektren und bei 15facher Konzentration mit einen Wirkungsgrad von 29,4 %.

Kostensenkungen bei hocheffizienten III-V-Mehrfachsolarzellen können erreicht werden, wenn die wertvollen GaAs-Substrate recycelt und für das Wachstum von weiteren Solarzellen wiederverwendet werden. Hierfür entwickeln wir ein Verfahren, bei dem die ultra-dünne Solarzelle von ihrem Substrat durch selektives Ätzen abgetrennt wird. Die Stabilisierung der Zelle erfolgt durch eine dünne Metallfolie. Diese flexiblen Zellen können z. B. in niedrigkonzentrierenden PV-Systemen kostengünstig eingesetzt werden. Bei unseren Entwicklungsarbeiten kooperieren wir mit unseren Forschungspartnern am CEA-Leti und INES.

Mehrfachsolarzellen erreichen die höchsten Effizienzen für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit aktuell bis zu 46,0 %. Hierbei sind die III-V Halbleitersubstrate, die zum epitaktischen Wachstum verwendet werden, ein Kostenfaktor, obwohl sie nicht zur eigentlichen Funktion der Solarzelle beitragen. Daher ist es ökonomisch sinnvoll, die nur wenige Mikrometer dicke Solarzelle von ihrem Substrat zu trennen und dieses wiederzuverwenden.

Hierfür haben wir ein Verfahren entwickelt, bei dem eine sogenannte Opferschicht zwischen Solarzelle und Substrat gewachsen wird, die in einem nasschemischen Prozess selektiv geätzt werden kann. Dadurch trennen sich die ultra-dünne Solarzelle und das Substrat voneinander. Um die Solarzelle zu stabilisieren, wird vorher eine dünne Metallschicht aufgebracht. Hierdurch entsteht nach dem Ablösen des Substrats eine flexible und sehr leichte Solarzelle. Die Metallschicht hilft außerdem beim Trennen von Solarzelle und Substrat, da sie zu einem leichten Aufrollen der Solarzelle führt. So kann der Ätzprozess ohne mechanische Hilfsmittel stattfinden. Das Wachstumssubstrat kann anschließend ohne teure Aufbereitungsprozesse für ein weiteres Solarzellenwachstum verwendet werden.

Mit diesem Verfahren wurden Mehrfachsolarzellen mit einer Effizienz von 27,5 % unter dem AM1.5d-Spektrum hergestellt. Diese Solarzellen sowie Tandemsolarzellen können z. B. in niedrigkonzentrierenden Photovoltaiksystemen kostengünstig eingesetzt werden und haben bei einer Konzentration von 15 Sonnen bereits 29,4 % Wirkungsgrad erreicht.