Hocheffizient und kostengünstig

Dreifachsolarzellen aus III-V-Halbleitern und Silicium haben das Potenzial, die Photovoltaik auf ein neues Effizienzniveau zu heben.

III-V-Silicium Tandem-Photovoltaik

III-V Halbleiter decken einen breiten Spektralbereich des Sonnenspektrums ab und eignen sich daher hervorragend, um den sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Sonnenspektrums effizient in elektrischen Strom zu wandeln. In Kombination mit Silicium lassen sich höchsteffiziente Tandemsolarzellen realisieren, sowohl mit zwei- als auch mit drei Teilzellen. Die III-V Halbleiterschichten sind nur wenige Mikrometer dick, denn die Halbleiter weisen eine hohe optische Absorption auf. Die Kombination mit Silicium eröffnet interessante Wege zu einer kostengünstigen Fertigung, allerdings gibt es auch Herausforderungen, welche wir in FuE-Projekten adressieren. Hierzu gehören eine kostengünstige Epitaxie der III-V Schichten auf Silicium bzw. das Überwinden von Unterschieden in der Gitterkonstante der Materialien. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir derzeit monolithische Solarzellenkonzepte mit 2-Terminals, wobei die III-V Schichten entweder direkt auf Silicium gewachsen werden, oder von einem GaAs Substrat mittels Wafer-bonden bzw. Kleben übertragen werden. Die effizientesten Zellen erreichen Spitzenwirkungsgrade von 34.5% unter dem AM1.5g Spektrum, ein Weltrekord.

Highlights

  • GaInP/GaInAsP//Si Dreifachsolarzelle erreicht neuen Rekordwirkungsgrad von 35.9% (AM1.5g) durch verbessertes Mittelzellmaterial (Presseinformation)
  • GaInP/AlGaAs//Si (2-Terminal) Dreifachsolarzelle erreicht Wirkungsgrad von 34.5% unter dem AM1.5g Spektrum (Presseinformation | Paper)
  • GaInP/GaAs/Si (2-Terminal) Dreifachsolarzelle, auf kostengünstigem Silicium direkt epitaxiert, erreichen Wirkungsgrade bis 25.9% (AM1.5g)(Presseinformation)
  • GaAsP/Si Tandemsolarzellen werden für die solare Energiekonversion und die solare Wasserstofferzeugung entwickelt (Projekte SiTaSol, DEPECOR und H2Demo)

Forschung und Entwicklung

Wir entwickeln III-V auf Silicium-Solarzellen mittels direkter Epitaxie und über Wafer-bonden bzw. Kleben.  Die III-V Halbleiterschichten werden hierzu auf zwei modernen MOVPE Produktionsanlagen der Firma Aixtron abgeschieden (2800G4R mit 8x6“ und CRIUS CCS mit 7x4“). Bei der direkten Epitaxie wird GaP auf Silicium aufgewachsen und anschließend die Gitterkonstante in GaAsP so variiert, dass Absorber mit einer Bandlücke zwischen 1.4 eV (GaAs) bis 1.9 eV (GaInP) hergestellt werden können. Durch eine Variation von Wachstumsbedingungen konnten wir die Defektdichten in den letzten Jahren in den Bereich < 107 cm-2 für GaAs auf Silicium senken. Weitere Herausforderungen liegen in der Entwicklung geeigneter Absorberschichten, Barrieren sowie Tunneldioden.

Bei den wafergebondeten Strukturen wachsen wir die III-V Halbleiterschichten zunächst auf Galliumarsenid auf und übertragen sie dann auf eine teilprozessierte Silicium Unterzelle. Die Verbindung kann durch einen direkten Waferbond oder eine leitfähige Klebeverbindung realisiert werden und auch bei diesen Solarzellen entsteht ein monolithisches Bauelement mit zwei Terminals. Die Herstellung bedarf kostengünstiger Prozesse zur Herstellung der III-V Schichten, zur Übertragung der wenige µm dünnen Schichten, der Bond- bzw. Klebetechnologie und zum Recycling der teuren GaAs Substrate. Dies sind wichtige Forschungsaspekte, denen wir uns widmen.

Unsere FuE-Leistungen

  • Epitaxie von III-V Halbleitern direkt auf Silicium mit Durchmessern bis zu 300 mm (Beispiel GaP Nukleation auf Silicium, GaPN, GaAsP, GaAs, GaInP)
  • Charakterisierung von Defekten in III-V Halbleiterschichten (z.B. Antiphasendomänen, Stapelfehler, Fehlanpassungsversetzungen)
  • Prozessierung und Prozessentwicklung für III-V Bauelemente auf Silicium

Presseinformationen und News zu diesem Thema:

 

Presseinformation

Höher und schneller mit Tandem-Photovoltaik – Fraunhofer ISE Schwerpunkt auf EUPVSEC Konferenz

 

Presseinformation

Höhere Wirkungsgrade im Tandem – neuer Solarzellenrekord

News

European researchers analyze environmental impact of new III-V/Si tandem solar cell technology – article in Energy & Environmental Science

Press Release

Fraunhofer ISE stellt zwei Wirkungsgradrekorde für monolithische Dreifachsolarzellen auf Siliciumbasis auf

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

FuE-Infrastruktur

Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen

Forschungsprojekt

PoTaSi

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

Forschungsthema

Si-Bottomzellen für Tandemphotovoltaik

Forschungsprojekt

SiTaSol

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

Aktuelle Veröffentlichungen - III-V-Silicium Tandemphotovoltaik

YearTitle/AuthorDocument Type
2021Epitaxial GaInP/GaAs/Si Triple-Junction Solar Cell with 25.9% AM1.5g Efficiency Enabled by Transparent Metamorphic AlxGa1-xAsyP1-y Step-Graded Buffer Structures
Feifel, Markus; Lackner, David; Schön, Jonas; Ohlmann, Jens; Benick, Jan; Siefer, Gerald; Predan, Felix; Hermle, Martin; Dimroth, Frank
Journal Article
202034.1 % Efficient GaInP/AlGaAs//Si Tandem Cell
Dimroth, F.; Schygulla, P.; Lackner, D.; Müller, R.; Benick, J.; Beutel, P.; Predan, F.; Höhn, O.; Hauser, H.; Siefer, G.; Hermle, M.; Glunz, S.
Conference Paper
2020Advances in Epitaxial GaInP/GaAs/Si Triple Junction Solar Cells
Feifel, M.; Lackner, D.; Ohlmann, J.; Volz, K.; Hannappel, T.; Benick, J.; Hermle, M.; Dimroth, F.
Conference Paper
2020Two-Terminal direct Wafer bonded GaInP/AlGaAs//Si Triple-Junction Solar Cell with AM1.5g Efficiency of 34.1 %
Lackner, D.; Höhn, O.; Müller, R.; Beutel, P.; Schygulla, P.; Hauser, H.; Predan, F.; Siefer, G.; Schachtner, M.; Schön, J.; Benick, J.; Hermle, M.; Dimroth, F.
Journal Article
2020Wafer-bonded GaInP/GaAs/GaInAs//GaSb four-junction solar cells with 43.8% efficiency under concentration
Predan, F.; Franke, A.; Hoehn, O.; Lackner, D.; Helmers, H.; Siefer, G.; Bett, A.W.; Dimroth, F.
Conference Paper
2019Direct Growth of GaInP/GaAs/Si Triple-Junction Solar Cell with 22.3% AM1.5g efficiency
Feifel, Markus; Lackner, David; Ohlmann, Jens; Benick, Jan; Hermle, Martin; Dimroth, Frank
Journal Article
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