Vierfach-Solarzelle mit 43,6 Prozent Wirkungsgrad unter konzentriertem Licht

(27.6.2013; Intersolar-Bericht) In einem ambitionierten Industrieprojekt mit der fran­zösischen Firma Soitec arbeitet das Fraunhofer ISE gegenwärtig an einer neuen Gene­ration von Mehrfach-Solarzellen, die das Potenzial haben, in Zukunft Wirkungsgrade unter konzentriertem Sonnenlicht von bis zu 50% zu erreichen. Hierzu werden anstelle der bisher gängigen Dreifach- Solarzellen, die aus Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems bestehen – nun erstmals Vierfach-Solarzellen eingesetzt.

Bild eines Solarzellenwafers mit Vierfach-Konzentratorsolarzellen und Teststrukturen. 

Dabei werden zunächst zwei Tandemsolarzellen separat auf unterschiedlichen III-V Substraten abgeschieden und anschließend durch das so genannte Wafer-bond-Ver­fahren so fest miteinander verbunden, dass die Grenzfläche den Stromfluss durch die Vierfach-Solarzelle erlaubt. Mehrfach-Solarzellen finden ihren Einsatz in Konzentrator­photovoltaik-Kraftwerken.

„Wir freuen uns sehr über den gemeinsamen Erfolg einer 43,6 Prozent Solarzelle, den wir mit Hilfe der Technologie des Wafer-bondens erzielen konnten. Dieses Verfahren erlaubt es uns, die besten III-V Halbleitermaterialien miteinander in einer Solarzelle zu vereinen und so den Übergang zu einer neuen Generation besonders hocheffizienter Mehrfach- Solarzellen zu realisieren“ sagt Dr. Frank Dimroth, der Abteilungsleiter III-V – Epitaxie und Solarzellen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. „Dabei kombinieren wir Kristalle miteinander, die eigentlich nicht zueinander passen und daher mit herkömmlichen Verfahren auch nicht mit hoher Qualität direkt aufeinander abgeschieden werden können.“ Unter Wafer-bonden versteht man eine Methode, bei der Halbleiterkristalle mit unterschiedlicher Gitterkonstante so verpresst werden, dass sich an der Grenzfläche atomare Bindungen ausbilden. Diese Technolo­gie stellt ein zentrales Know-How der französischen Firma Soitec und des Entwick­lungspartners CEA-Leti dar. Sie wird seit Jahrzehnten bei der Herstellung von speziel­len Substrate für die Mikroelektronikindustrie eingesetzt. Soitec und CEA-Leti haben es gemeinsam geschafft, das Wafer-bonden so weiterzuentwickeln, dass die spezifi­schen Anforderungen der Solarzellenanwendung erfüllt werden. Hierbei sind neben ei­ner hohen Stabilität insbesondere optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit von hoher Bedeutung.

Mehr als 30 Halbleiterschichten mussten am Fraunhofer ISE für die neue Vierfach-So­larzelle verfahrenstechnisch optimiert werden. Ein Teil der Struktur wurde am Helm­holtz Zentrum Berlin - Arbeitsgruppe Prof. Thomas Hannappel, heute TU Ilmenau - entwickelt, an das Fraunhofer ISE transferiert und in den Epitaxieprozess integriert.

Das Ergebnis dieser deutsch-französischen Zusammenarbeit ist eine Vierfach-Solar­zelle, die einen herausragenden Wirkungsgrad von 43,6% bei 319-facher Konzentra­tion des Sonnenlichts erreicht. Bei einem Konzentrationsfaktor zwischen 250 und 500 Sonnen liegt der Wert durchgehend über 43%. Erstmals wurde ein derartig hoher Wir­kungsgrad mit einer Solarzelle aus vier in Serie verschalteten pn-Übergängen nachge­wiesen. Die weitere Entwicklung der neuen Vierfach-Solarzellen verspricht in Zukunft noch höhere Wirkungsgrade bis zu 50%.

Die besonders effizienten Mehrfach-Solarzellen sollen in den photovoltaischen Konzen­tratormodulen der Firma Soitec, ehemals Concentrix Solar GmbH, zum Einsatz kommen. Concentrix Solar, eine Ausgründung des Fraunhofer ISE, wurde 2009 von der franzö­sischen Soitec SA übernommen.

Seither entwickelt das Fraunhofer ISE im Auftrag von Soitec die höchsteffizienten So­larzellen und punkt­fokussierenden Konzentratormodule weiter. Die Technologie wird weltweit in Solarkraftwerken an Standorten mit besonders hoher Sonneneinstrahlung eingesetzt.

„Die konzentrierende Photovoltaik erreicht immer höhere Wirkungsgrade und senkt da­mit flächenproportionale Kosten“ sagt Prof. Eicke Weber, Leiter des Fraunhofer ISE: „Die neuen Solarzellen mit dem herausragenden Wirkungsgradpotenzial durch die neue Produktionstechnologie werden einen wichtigen Beitrag zum Erfolg der konzentrieren­den Photovoltaik leisten. Wir sind stolz darauf, diese Entwicklung mit der Firma Soitec durchzuführen.“