Photovoltaikzell-Entwicklung

GaAs basierte Laserleistungszelle
© Fraunhofer ISE

GaAs basierte Mehrsegment-Laserleistungszelle mit sechs lateral in Serie geschalteten Segmenten (monolithisch integriertes Modul, MIM), montiert auf Transistor Outline (TO) Sockel.

Prozessierter 4-Zoll GaAs Wafer
© Fraunhofer ISE

Prozessierter 4-Zoll GaAs Wafer mit Mehrsegment-Laserleistungszellen in unterschiedlicher Ausführung.

Wir entwickeln unterschiedliche Photovolaikzell-Designs optimiert für Laserleistungsanwendungen. Die Halbleiterstrukturen werden in unseren beiden MOVPE-Reaktoren epitaktisch hergestellt. Dabei wird das Halbleitermaterial an die Laserwellenlänge angepasst. Zur Fertigung der Photovoltaikzellen steht modernste Prozesstechnologie in unseren Reinraumlaboratorien zur Verfügung. Wir bieten die anwendungsabhängige Anpassung des Zelldesigns an die gegebenen Betriebs- und Rahmenbedingungen an. Dabei können Größe, Geometrie und Kontaktierung kundenspezifisch gewählt werden.


Abhängig von der einfallenden Laserleistung optimieren wir das Vorderseiten-Kontaktgrid für minimale Abschattung einerseits und eine verlustarme Stromabführung andererseits.


Ein weiterer Schwerpunkt der Zellentwicklung ist die Realisierung von Bauteilen mit erhöhten Ausgangsspannungen, wie sie für typische elektrischen Anwendungen gefordert werden, wie z.B. 3.3 V, 5 V, oder 12 V. Die typische Ausgangsspannung einer GaAs-basierten Photovoltaikzelle liegt bei etwa 1 V. Eine Möglichkeit höhere Spannungen zur sicheren elektrischen Versorgung zu erreichen, ist die Verwendung geeigneter Leistungselektronik. Eine elegante Alternative dazu bieten fortschrittliche Zellarchitekturen, bei denen zur Steigerung der Ausgangsspannung mehrere Teilzellen monolithisch in Serie geschalteten werden.


Eine Möglichkeit dies umzusetzen ist die vertikale Stapelung von mehreren Zellen, wie sie auch für Hocheffizienz-Solarzellen realisiert wird. In solchen Mehrfach-Zellen werden mehrere Photovoltaikzellen epitaktisch aufeinander abgeschieden. Die serielle Verschaltung erfolgt durch die Integration von Tunneldioden zwischen den Zellen.


Ein weiteres Konzept ist die laterale Segmentierung. Dazu wird die Photovoltaikzellstruktur auf einem semi-isolierenden Substrat gewachsen. Während der Prozessierung der Wafer wird das Halbleitermaterial durch geätzte Isolationsgräben strukturiert, welche die aktive Photovoltaikzellfläche in mehrere Segmente aufteilen. Diese nun elektrisch voneinander getrennten Segmente werden im Anschluss außerhalb der photoaktiven Fläche elektrisch in Serie geschaltet. Mit solchen monolithisch integrierten Modulen (MIM) kann im Prinzip eine beliebige Anzahl von Zellen seriell oder bei Bedarf auch parallel verschaltet werden. Wir haben Mehrsegment-Zellen mit 2, 4, 6, und 12 seriell verschalteten Segmenten realisiert. Die Ausgangsspannung erhöht sich entsprechend um diesen Faktor.