Die Photovoltaik ist eine tragende Säule einer nachhaltigen Energieversorgung. Seit nahezu vier Jahrzehnten arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE an Technologien, die zur Senkung der Stromgestehungskosten beitragen. Dabei steht die Maximierung des Zellwirkungsgrads im Fokus – so auch in Felix Predans Dissertation. Er arbeitet an Mehrfachsolarzellen, die aus unterschiedlichen Halbleiterschichten bestehen, die jeweils einen bestimmten Teil des Sonnenspektrums in elektrische Energie wandeln und so in der Kombination höchste Effizienzen ermöglichen. Derartige Solarzellen werden unter konzentriertem Sonnenlicht eingesetzt und finden ihre Anwendung daher in sonnenreichen Regionen mit einem hohen Anteil an direkter Solarstrahlung. Für die Doktorarbeit entwickelte Felix Predan eine neuartige Vierfachsolarzelle basierend auf Antimoniden.

Vierfachsolarzelle mit 43,8% Wirkungsgrad unter konzentriertem Sonnenlicht

Bei diesem Konzept wird eine Dreifachsolarzelle in einem Epitaxie-Verfahren invertiert auf ein Galliumarsenid (GaAs)-Substrat gewachsen, parallel dazu wird im gleichen Verfahren eine separate Galliumantimonid (GaSb)-Unterzelle auf ein GaSb-Substrat aufgebracht. Diese Teilsolarzellen werden in einem innovativen Wafer-Bonding Verfahren monolithisch kombiniert und zu einem elektrischen Bauteil prozessiert.

Die Forschungsschwerpunkte umfassten dabei mehrere Aspekte: die Entwicklung und Optimierung des Argonstrahl-aktivierten Wafer-Bondings mit Antimoniden; die metallorganische Gasphasenepitaxie von Antimoniden, um eine passende hocheffiziente Unterzelle zu realisieren; die Optimierung einer geeigneten Prozessroute im Reinraum sowie umfangreiche theoretische Modellierungen, um zunächst Optimierungspotenzial zu identifizieren und darauf aufbauend die Effizienz der Vierfachsolarzelle sukzessive zu erhöhen.

»Am Ende konnte eine Effizienz von 43,8 % unter konzentriertem Sonnenlicht demonstriert werden, was einen der höchsten Wirkungsgrade für die Konvertierung von Sonnenenergie in elektrische Energie darstellt«, freut sich Dr. Ing. Felix Predan. Und es kann noch mehr erwartet werden. »Durch die Evaluation weiterer Routen zur Optimierung der hier entwickelten Solarzelle konnte gezeigt werden, dass sie eine vielversprechende Basis darstellt, um höchste Effizienzen von über 50% zu realisieren« ergänzt Prof. Dr.  Stefan Glunz, Doktorvater und Bereichsleiter Photovoltaik am Fraunhofer ISE. »Damit stellt die Arbeit einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg der weiteren Kostenreduzierung von Stromgestehungskosten dar.«

Der Eva-Mayr-Stihl-Nachwuchspreis wird von der gleichnamigen Stiftung jährlich für herausragende Dissertationen dem Gebiet der Nachhaltigkeitsforschung verliehen. Der Preis ist mit 2.500 Euro dotiert.