Photovoltaik: Fraunhofer ISE erzielt Rekordwirkungsgrad für Tandemsolarzellen

Zu sehen sind mehrere III-V Tandemsolarzellen auf einem Silizium-Substrat. Mit einem solchen Aufbau haben die Forschenden einen Rekordwirkungsgrad für Tandemsolarzellen erzielt.Foto: Fraunhofer ISE /Foto: Markus Feifel
Mehrere III-V Tandemsolarzellen auf einem Silizium-Substrat mit 10 cm Durchmesser.
Mit 25,9 Prozent Wirkungsgrad hat das Fraunhofer ISE einen Rekordwert für direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzellen erreicht. Bis diese Technologie in kommerziellen Solarzellen zum Einsatz kommen kann, ist es aber nach Angaben der Forscher noch ein weiter Weg.

Die Photovoltaikforschung arbeitet daran, die Wirkungsgrade von Solarzellen immer weiter zu erhöhen. Zunehmend rückt die Tandem-Photovoltaik dabei in den Fokus, bei der in unterschiedlichen Kombinationen leistungsstarke Solarzellenmaterialien zusammengeführt werden, um so das Sonnenspektrum bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie noch effizienter zu nutzen. Das Fraunhofer ISE verzeichnet jetzt mit 25,9 Prozent Wirkungsgrad einen neuen Rekordwirkungsgrad für Tandemsolarzellen. Und zwar für eine direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle. Diese wurde erstmals auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat hergestellt. Laut dem Freiburger Forschungsinstitut ist damit ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu wirtschaftlichen Lösungen für die Tandem-Photovoltaik gelungen.

Die Freiburger Forscher und Forscherinnen arbeiten seit vielen Jahren an Mehrfachsolarzellen, bei denen sie zwei oder drei Teilzellen übereinander anordnen. Dadurch können die Tandemsolarzellen unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts nutzen. Für den infraroten Anteil des Spektrums eignet sich Silizium als Absorber und darüber werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern aufgetragen. Dies sind Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems, welche das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln. Reine III-V Halbleiter-Solarzellen werden bereits im Weltraum und in der Konzentrator-Photovoltaik eingesetzt. Durch kostengünstigere Verfahren im Zusammenspiel mit Silizium als unterster Teilzelle soll die Tandem-Technologie in Zukunft auch für die kommerzielle Photovoltaik zugänglich gemacht werden. Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg.

25,9 Prozent für direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle

Es gibt unterschiedliche Ansätze, um Kombinationen aus III-V-Halbleitern und Siliziumsolarzellen herzustellen. So hält das Fraunhofer ISE seit 2019 den Rekordwirkungsgrad für Tandemsolarzellen mit 34,1 Prozent Wirkungsgrad für eine Tandemsolarzelle, bei der man die III-V Halbleiterschichten von einem Galliumarsenid-Substrat auf Silizium überträgt. Hierbei verbindet ein sogenannter Wafer-Bond die Schichten. Diese Technologie ist effizient aber teuer. Daher arbeitet das Solarforschungsinstitut seit vielen Jahren an direkteren Herstellungsverfahren, bei denen die III-V Schichten auf eine Siliziumsolarzelle abgeschieden werden. Hierbei ist es entscheidend, eine hohe Kristallqualität aller Schichten zu erhalten – eine große Herausforderung.

Für eine solche, direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle hat das Solarforschnungsinstutut jetzt mit 25,9 Prozent einen neuen Weltrekord-Wirkungsgrad erzielt. Wissenschaftler Markus Feifel konnte seinen Erfolg jüngst auf der 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die wie derzeit viele Konferenzen online stattfindet, präsentieren. Er erhielt dafür den Student Award in der Kategorie Hybrid Tandemsolarzellen. „Von außen ist die komplexe innere Struktur der Zelle nicht sichtbar, da alle Absorber durch weitere Kristallschichten miteinander verbunden und elektrisch verschaltet sind“, sagt der Solarzellenforscher, der in weniger als einem Jahr das Wirkungsgradergebnis seiner Arbeiten von 24,3 auf 25,9 Prozent verbessern konnte. „Gelungen ist dieser Erfolg durch das Austauschen einer einzigen dünnen Schicht innerhalb der Mehrfachzelle“, erklärt er weiter. „Eine sorgfältige Analyse unserer Zellen ergab, dass diese Schicht zu einer Barriere für die Stromleitung geführt hat.“

11.8.2020 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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