Mehrfachsolarzellen aus III-V Verbindungshalbleitern erreichen bei weitem die höchsten Umwandlungseffizienzen von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Anwendung ist bisher allerdings auf Nischen wie die Stromversorgung von Satelliten begrenzt. Dies liegt insbesondere an den um einen Faktor 100 höheren Material- und Herstellungskosten im Vergleich zu Solarzellen aus Silicium. Das Fraunhofer ISE arbeitet daher an Lösungen zur Kostensenkung der Prozesse. Ein Ansatz ist dabei die Reduktion der Epitaxiekosten für die Abscheidung der III-V Halbleiterschichten. Heutige Prozesse aus der Opto- und Mikroelektronik sind auf hohe Präzision und kleine Stückzahlen ausgelegt. In der Photovoltaik geht es hingegen um sehr große Flächen, im Gegenzug sind die Anforderungen an die Schichten an manchen Stellen weniger streng. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt »MehrSi« haben Forschende des Fraunhofer ISE untersucht, wie weit die Abscheiderate und die Abscheideeffizienz für GaAs Schichten erhöht werden kann.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit am Fraunhofer ISE beschäftigt sich Robin Lang mit dem Wachstum von GaAs mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie. Neben dem Erreichen sehr hoher Wachstumsraten und hoher Einbaueffizienzen für Gallium steht die Untersuchung des Einflusses dieser hohen Wachstumsraten auf die Materialqualität im Vordergrund. Der von ihm erreichte Rekordwert von 280 µm/h stellt die bisherige Lehrmeinung über MOVPE-Wachstumsraten in Frage. Der eindrucksvolle Wert wurde erreicht, indem neben dem Gallium-Fluss auch die Einbaueffizienz durch geschickte Anpassung der Prozessbedingungen auf 60 Prozent angehoben wurde, was ebenfalls einen MOVPE-Rekord darstellt. Gleichzeitig wurde der Verbrauch von Gruppe-V Materialien um einen Faktor 6 gesenkt. Die Ergebnisse erlauben es nun, selbst mehrere hundert µm dicke GaAs-Schichten in kurzen Zeiten zu wirtschaftlichen Kosten herzustellen. Dies ist ein wesentliches Ergebnis und ermöglicht den Einsatz der Technologie in ganz neuen Anwendungsfeldern für das MOVPE Wachstum, wie Röntgendetektoren, aber auch in Solarzellen, die hierdurch kostengünstiger gefertigt werden können. In Versuchen wurde bei einer Rate von 100 µm/h die Absorberschicht einer GaAs-Solarzelle in zwei Minuten abgeschieden und ein Wirkungsgrad von 23,6 Prozent gemessen – im Vergleich zu 24,6 Prozent für eine Referenzstruktur bei 4 µm/h.

Der Preis wurde am 12. März im Rahmen der Deutschen Kristallzüchtungstagung 2020 in München verliehen, im Rahmen der Feierstunde zum 50. Geburtstag der Deutschen Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung e.V. Mit dem DGKK-Preis für Nachwuchswissenschaftler würdigt die DGKK herausragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Kristallzüchtung und des Kristallwachstums.