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.

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