III-V-Solarzellen, -Module und konzentrierende Photovoltaik

Im Geschäftsfeldthema »III‑V-Solarzellen, -Module und konzentrierende Photovoltaik« arbeiten wir an der effizientesten PV-Technologie und suchen nach wirtschaftlich attraktiven Lösungen. Die von uns entwickelten III‑V-Solarzellen zeichnen sich durch höchste Leistung und Langzeitstabilität aus und setzen mit internationalen Spitzenwerten immer wieder neue Maßstäbe.

Ein Fokus unserer Forschung liegt auf der Kostenreduktion durch neue Fertigungsverfahren. So adressieren wir neben Anforderungen aus der Weltraum- und Konzentratorphotovoltaik auch Lösungen für Massenmärkte, wie z.B. fahrzeugintegrierte Photovoltaik für die Elektromobilität.

Mit Hilfe unserer exzellenten Laborinfrastruktur arbeiten wir sowohl an der Entwicklung und Optimierung von Solarzellen der nächsten Generation als auch an der Anpassung dieser Bauelemente an die spezifischen Anforderungen unserer Kundinnen und Kunden. Dabei decken wir vielfältige Themen ab, wie ultradünne flexible Zellen und Module, »Engineered Substrates« mit anderer Gitterkonstante, innovative Prozesse zur kostengünstigen Zellfertigung, nanostrukturierte Spiegel, III‑V-Mehrfachsolarzellen mit bis zu sechs Teilzellen, III‑V‑Si-Tandemsolarzellen, oder fortschrittliche Messtechnik. Bei der konzentrierenden Photovoltaik decken wir von der Solarzelle über die Optik und die Modultechnologie bis zum System alle Aspekte ab, bis hin z.B. zur Erzeugung von solarem Wasserstoff. Schließlich setzen wir unsere Expertise bei der Entwicklung von photonischen und leistungselektronischen Bauelementen für andere Anwendungen, beispielsweise für die optische Leistungsübertragung oder die Thermophotovoltaik, ein. Neben der Entwicklung neuer Materialien, Solarzellenkonzepte und Messtechnik bieten wir auch die Kleinserienfertigung von kundenspezifischen Bauelementen an.

• Entwicklung von III‑V-Silizium-Tandemsolarzellen
• III‑V-Materialentwicklung und -Epitaxie
• Prozesstechnologie und Bauelementfertigung
• Modellierung und Design von III‑V-Solarzellen und ‑Bauelementen
• Charakterisierung von III‑V-Solarzellen und ‑Modulen
• Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Zuverlässigkeitsprüfung für III‑V-Solarzellen und -Module
• Konzentrierende PV-Module

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 direkt auf Silizium mithilfe moderner MOVPE-Reaktoren der Firma Aixtron 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.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Direkte Epitaxie von III‑V-Halbleitern direkt auf Silizium-Wafern mit Durchmessern bis zu 300 mm (Beispiel GaP-Nukleation auf Silizium, GaPN, GaAsP, GaAs, GaInP)
• Fortgeschrittene Charakterisierung von Defekten in III‑V-Schichten (z.B. Antiphasendomänen, Stapelfehler, Versetzungen durch Gitterfehlanpassungen)
• Entwicklung und Herstellung von III‑V-Bauelementen auf Silizium. Unser Ziel ist es, durch innovative Forschung und Entwicklung die nächste Generation hocheffizienter und kostengünstiger Solarzellen zu ermöglichen.

Wir entwickeln Epitaxieprozesse und Materialien auf der Basis von III‑V-Halbleiterverbindungen für verschiedene Anwendungen.

Für die Schichtherstellung stehen uns zwei moderne Reaktoren zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE engl. metal organic vapor phase epitaxy) im Industriemaßstab zur Verfügung:

• Ein AIX2800 G4-TM-Reaktor mit 8x6-Zoll-Konfiguration
• Ein CRIUS Showerhead-Reaktor für 7x4-Zoll oder 1x300 mm -Substrate

Zur Materialcharakterisierung steht uns eine Vielzahl von Methoden zur Verfügung:

• Elektrochemische Kapazitäts-Spannungs (ECV) Messungen
• Spektral- und ortsaufgelöste Photolumineszenz (PL)
• Elektrolumineszenz (EL)
• Kathodolumineszenz (CL)
• Röntgenbeugung (XRD)
• Nomarski-Differentialinterferenzkontrast (DIC)-Mikroskopie
• Candela-Oberflächeninspektion
• Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS)
• Rasterelektronenmikroskopie (REM)
• Deep-level Transient Spectroscopy (DLTS)
• Elektronenstrahlinduzierter Strom (electron beam induced current, EBIC)-Messungen
• Elektronenkanal-Kontrast Bildgebung (electron channeling contrast imaging, ECCI)
• Infrarot-Fourier-Spektroskopie
• Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM)
• Hall-Van-der-Pauw-Messungen

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Monolithisches Wachstum von Solarzellen mit bis zu sechs übereinander gestapelten Teilzellen
• Anpassung der Zellen an spezifische Einsatzbedingungen (Spektrum, Intensität, Temperatur)
• Entwicklung und Optimierung von III‑V-Absorbermaterialien, wie
  • AlGaAs, AlGaInP, GaAsP, GaInAs, GaInAsP, sowie GaInNAs auf GaAs oder Ge -Substraten
  • InGaAs, InGaAsP auf InP -Substraten
• Entwicklung spannungskompensierter Multi-Quantum-Well-Materialien
• Ultra-schnelle Epitaxieprozesse mit Wachstumsraten >100 µm/h
• Direktes Wachstum von III‑V-Halbleitern auf Silizium-Substraten für die Entwicklung von III‑V-Silizium-Tandem-Solarzellen
• Entwicklung von metamorphen Pufferstrukturen und Engineered Substrates mit angepasster Gitterkonstante

In unserem Reinraumlabor prozessieren wir epitaxierte Wafer zu funktionalen Bauelementen. Hierzu steht eine moderne Infrastruktur in unserem »Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen« zur Verfügung. Die Waferprozessierung ist ausgelegt für 8×4-Zoll- oder 8×6-Zoll-Chargen.

Die in unseren Laboren verfügbaren und angewandten Prozesse umfassen:

• Photolithographie zur Mikrostrukturierung
• Nano-imprint-Lithographie
• Abscheidung metallischer und dielektrischer Schichten
• Nass- und trockenchemische Prozesse zur Strukturierung
• Wafer-Bonding (u.a. GaAs, InP, GaSb, Si, Ge)
• Chemisch-mechanisches Polieren (chemical mechanical polishing)
• Oberflächenreinigung
• Diverse Charakterisierungswerkzeuge zur Struktur- und Oberflächenanalyse und Qualitätssicherung

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Ablösen dünner Epitaxieschichten vom Substrat (»liftoff«), Dünnschichtprozessierung
• Implementierung von Spiegelschichten
• Herstellung und Charakterisierung funktionaler Meta-Oberflächen und photonischer Strukturen
• Entwicklung von niederohmschen Metallkontaktstapeln für spezifische Materialien

Der Komplexität von III‑V-Mehrfachsolarzellen begegnen wir mit einer Vielzahl unterschiedlicher numerischer Simulationswerkzeuge.

Unsere Infrastruktur im Bereich Simulation umfasst:

• Optische Simulation von Multi-Schichtsystemen mittels Transfer-Matrix und Rigourous Coupled Wave Analysis (RCWA)
• Opto-elektrische Halbleitersimulation mit Sentaurus TCAD zur Analyse von Generation und Rekombination von Ladungsträgern, Ladungsträgertransport an Heteroübergängen, Tunnelprozessen sowie Photon-Recycling
• Elektrisches Netzwerkmodell zur Optimierung von Kontaktstrukturen (Abschattung, Serienwiderstandsverluste)
• »Detailed-balance«-Berechnung von neuen Solarzellenkonzepten, u.a. zur Ermittlung der idealen Bandlückenkombination für verschiedene Teilzellanzahlen, Temperaturen und Referenzspektren
• Ertragsberechnung für Mehrfachsolarzellen für verschiedene Standorte unter Berücksichtigung des Einflusses der Materialkombination auf spektrale Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf

Essenziell für alle Simulationen ist eine umfassende Materialdatenbank, die neben einer Vielzahl von III‑V-Verbindungen auch weitere typische Halbleiter, Dielektrika und Metalle umfasst. 

Die präzise Bestimmung der Leistungsdaten photovoltaischer Bauelemente spielt eine bedeutende Rolle sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch für die Produktion von III‑V-Solarzellen und -Modulen. Im CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE können verschiedene Solarzelltypen präzise gemäß internationaler Standards gemessen werden.

Zur Charakterisierung von III‑V-Mehrfachsolarzellen stehen vielfältige Methoden zur Verfügung:

• Spektrale Empfindlichkeit von Mehrfachsolarzellen mit bis zu sechs Teilzellen
• Kalibrierte Messung von Strom-Spannungs (I-V) -Kennlinien
  • Mehrquellensimulatoren (Drei- und Sechsquellensimulator) zur Charakterisierung unter definierten spektralen Bedingungen (AM1.5g, AM1.5d, AM0, Indoor-Spektren, Mars, etc.)
  • Spektrometrische Charakterisierung zur Quantifizierung des Verhaltens bei veränderlichem Spektrum
  • Vierquellen-Blitzlichtsimulator zur spektral angepassten Charakterisierung von Konzentratorsolarzellen (bis zu 1500-fach konzentrierter Solarstrahlung)

• Außenteststand mit zweiachsiger Nachführeinheit zur Leistungsbestimmung von Konzentratormodulen gemäß IEC 62670-3:2017 („power rating“) sowie hybriden PV/CPV -Modulen
• Indoor-Labormessplatz zur Vermessungen von Konzentratormodulen: Mit Hilfe eines Parabolspiegels wird sonnenähnliches, paralleles Licht auf die Aperturfläche gelenkt.

In den Räumlichkeiten des Con-TEC (Concentrator Technology Evaluation Center) entwickeln wir Aufbau- und Verbindungstechnologien und Fertigungsprozesse zur Herstellung von Konzentratormodulen, dicht gepackten Empfängern, z. B. für Turmkraftwerke oder für die Thermophotovoltaik, sowie Packages für Laserleistungszellen. Neben industrietauglichen Anlagen nutzen wir inline und offline Charakterisierungswerkzeuge zur Qualitätssicherung von Baugruppen und Modulen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Zuverlässigkeitsuntersuchung einzelner Baugruppen. Zur Untersuchung der Langzeitstabilität von Modulen und Komponenten werden beschleunigte Alterungstests durchgeführt (Temperaturauslagerung, Temperaturzyklierung, Feuchte-Wärme-Test, Feuchte-Frost-Test, UV-Bestrahlung).

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Entwicklung von Aufbau- und Verbindungstechnologien für die Konzentrator-Photovoltaik
• Finite-Elemente-Modellierung
• Thermomechanische Designoptimierung unter Berücksichtigung optischer und elektrischer Randbedingungen
• Zuverlässigkeitsuntersuchungen von Baugruppen
• Alterungstests

In der konzentrierenden Photovoltaik (engl. concentrating photovoltaics, CPV) wird das Sonnenlicht durch optische Systeme hochkonzentriert auf kleine Konzentratorsolarzellen fokussiert. Eingesetzt werden hier hocheffiziente III‑V-Mehrfachsolarzellen, welche ursprünglich für den Weltraum entwickelt wurden.

Eine relevante aktuelle Entwicklung ist in diesem Zusammenhang ist die Miniaturisierung der Komponenten, insbesondere der Konzentratorsolarzellen und damit einhergehend auch entsprechend kleinskalierte Optiken. In Analogie an Micro-LED-Entwicklungen ist hier die Rede von der Micro-CPV-Technologie, meist definiert durch Solarzellen mit Kantenlängen unterhalb eines Millimeters. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass zum einen die Solarzellen ohne eigenes Substrat direkt auf Leiterbahnen montiert werden können (chip-on-board), und zudem parallelisierte Hochdurchsatz-taugliche Verfahren zur Montage und Kontaktierung genutzt werden können. Dies verspricht eine ökonomisch attraktive Kostenstruktur. Das Fraunhofer ISE bündelt in diesem Themenfeld eine weltweit einzigartige Expertise von der Halbleiterphysik über III‑V Mehrfachsolarzellen, Modulfertigungstechnologien und Zuverlässigkeitsanalysen bis zur Systemintegration und Energieertragsmodellierung.

Unsere FuE-Leistungen zu diesem Thema umfassen:

• Entwicklung und Optimierung von CPV-Moduldesigns
• Optische, thermische und elektrische Modellierung
• Optische Charakterisierung von Konzentratoroptiken
• Elektrische Charakterisierung von CPV-Modulen im Labor und im Außenteststand
• Power-Rating und Analyse von Umweldeinflüssen
• Energieertragsmodellierung