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

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2023 PV at Multi-Terawatt Scale: Waiting is not an Option
Philipps, Simon
Vortrag
Presentation
2023 Translation of Outdoor Tandem PV Module I-V Measurements to a STC Power Rating
Steiner, Marc; Siefer, Gerald
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Mask and plate: a scalable front metallization with low-cost potential for III-V-based tandem solar cells enabling 31.6 % conversion efficiency
Schube, Jörg; Höhn, Oliver; Schygulla, Patrick; Müller, Ralph; Jahn, Mike; Mikolasch, Gabriele; Steiner, Marc; Predan, Felix; Bartsch, Jonas; Dimroth, Frank; Clement, Florian; Keding, Roman
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Resource-efficient generation of large-area micro and nanostructures
Bläsi, Benedikt; Müller, Martina; Rossmeier, Harald
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Light trapping gratings for solar cells: An analytical period optimization approach
Bläsi, Benedikt; Hanser, Mario; Jäger, Klaus; Höhn, Oliver
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Impact of Lateral Effects on EQE Measurements of Large Scale Tandem Solar Cells
Reichmuth, Kasimir; Fell, Andreas; Siefer, Gerald; Schachtner, Michael; Chojniak, David; Fischer, Oliver; Mühleis, Matthias; Rauer, Michael; Hohl-Ebinger, Jochen; Schubert, Martin C.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2022 Impact of lateral effects on large scale perovskite/silicon tandem solar cell performance
Reichmuth, Kasimir
Vortrag
Presentation
2022 Spray pyrolysis of ZnO:In: Characterization of Growth Mechanism and Interface Analysis on p-type GaAs and n-type Si Semiconductor Materials
Heitmann, Ulrike; Westraadt, Johan; O'Connell, Jacques; Jakob, Leonie; Dimroth, Frank; Bartsch, Jonas; Janz, Stefan; Neethling, Jan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 35.9 % at AM1.5g
Schygulla, Patrick; Müller, Ralph; Lackner, David; Höhn, Oliver; Hauser, Hubert; Bläsi, Benedikt; Predan, Felix; Benick, Jan; Hermle, Martin; Glunz, Stefan; Dimroth, Frank
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Analysis for Efficiency Potential of II-VI Compound, Chalcopyrite, and Kesterite-Based Tandem Solar Cells
Yamaguchi, M.; Tampo, H.; Shibata, H.; Schygulla, P.; Dimroth, F.; Kojima, N.; Oshita, Y.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 PV Research in 2022: State of the Art and New Directions
Glunz, Stefan
Vortrag
Presentation
2022 Light Trapping Gratings for Solar Cells: An Analytical Approach to Find the Best Periods
Bläsi, Benedikt; Hanser, Mario; Jäger, Klaus; Höhn, Oliver
Vortrag
Presentation
2022 Hyperuniform Disordered Structures for Light Trapping in Silicon Based Tandem Solar Cells
Höhn, Oliver; Hauser, Hubert; Mühlbach, Kai; Bläsi, Benedikt
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2022 Improvements in Ultra-Light and Flexible Epitaxial Lift-Off GaInP/GaAs/GaInAs Solar Cells for Space Applications
Schön, J.; Bissels, G.M.M.W.; Mulder, P.; Leest, R.H. van; Gruginskie, N.; Vlieg, E.; Chojniak, D.; Lackner, D.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 The annual-hydrogen-yield-climatic-response ratio: evaluating the real-life performance of integrated solar water splitting devices
Köhlbach, Moritz; Höhn, Oliver; Rehfeld, Kira; Finkbeiner, Manuel; Barry, James; May, Matthias M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Two-Terminal III-V//Si Triple-Junction Solar Cells with Power Conversion Efficiency of 35.9 % at AM1.5g
Schygulla, P.; Müller, R.; Höhn, O.; Hauser, H.; Bläsi, B.; Predan, F.; Benick, J.; Hermle, M.; Dimroth, F.; Glunz, S.W.; Lackner, D.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Middle Cell Development for Wafer-Bonded III-V//Si Tandem Solar Cells
Schygulla, P.; Heinz, F.D.; Dimroth, F.; Lackner, D.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Optimizing Metal Grating Back Reflectors for III-V-on-Silicon Multijunction Solar Cells
Tillmann, P.; Bläsi, B.; Burger, S.; Hammerschmidt, M.; Höhn, O.; Becker, C.; Jäger, K.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Challenges in the Fabrication of a Glued III-V on Si Tandem Solar Cell Using a ZnO-Based TCA
Heitmann, Ulrike; Bartsch, Jonas; Kluska, Sven; Huschmand Nia, Nima; Wulf, Jana; Lackner, David; Dimroth, Frank; Janz, Stefan
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Energy Yield and Performance Ratio of III-V on Silicon Dual Junction Solar Cells in Different Climate Zones
Höhn, Oliver; Hanser, Mario; Steiner, Marc; Lorenz, Elke; Bläsi, Benedikt; Glunz, Stefan; Dimroth, Frank
Konferenzbeitrag
Conference Paper
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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