Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
III‑V-Halbleiter sind ideal geeignet, um den sichtbaren und nahinfraroten Bereich des Sonnenspektrums effizient in elektrische Energie umzuwandeln. In Kombination mit Silizium ermöglichen sie die Entwicklung von hocheffizienten Tandemsolarzellen mit zwei oder drei Teilzellen. Dank ihrer hohen Absorptionskoeffizienten können die III‑V-Schichten dabei nur wenige Mikrometer dünn sein. Die Integration mit Silizium eröffnet zudem vielversprechende Ansätze zur kostengünstigen Fertigung.
Am Fraunhofer ISE konzentriert sich unsere Forschung auf die Entwicklung monolithischer 2-Terminal-Solarzellkonzepte, bei denen III‑V-Schichten entweder direkt auf Silizium abgeschieden oder von Galliumarsenid-Substraten (GaAs) mithilfe fortschrittlicher Wafer-Bonding- oder Klebeverfahren übertragen werden. Wir verfolgen dabei zwei Hauptansätze:
1. Direktes Wachstum: III‑V-Halbleiterschichten werden mithilfe moderner MOVPE-Reaktoren der Firma Aixtron direkt auf Silizium abgeschieden (2800G4R mit 8x6”-Konfiguration und CRIUS CCS mit 7x4”). Der Prozess beginnt mit dem Wachstum einer GaP-Nukleationsschicht auf Silizium. Anschließend wird die Gitterkonstante mithilfe ternärer GaAsP-Pufferschichten schrittweise angepasst, wodurch Absorberschichten mit Bandlücken von 1,4 eV (GaAs) bis 1,9 eV (GaInP) realisiert werden können. Durch Optimierungen der Wachstumsbedingungen ist es uns gelungen, die Defektdichte in GaAs-auf-Silizium-Schichten auf unter 10⁷ cm⁻² zu senken. Zudem arbeiten wir an der Weiterentwicklung von Absorberschichten, Barrieren und Tunneldioden.
2. Wafer-Bonding und Klebeverfahren: III‑V-Schichten werden zunächst auf GaAs-Substraten abgeschieden und anschließend auf teilprozessierte Silizium-Unterzellen übertragen. Die Verbindung der Schichten erfolgt entweder durch direktes Wafer-Bonding oder leitfähige, transparente Klebstoffe. Die daraus entstehenden Strukturen bilden monolithische 2-Terminal-Bauelemente. Dieser Ansatz erfordert kosteneffiziente Prozesse für das Wachstum der III‑V-Schichten, die Übertragung der dünnen Schichten und das Recycling der GaAs-Substrate.