Neuer Wirkungsgradrekord für siliziumbasierte Mehrfachsolarzelle liegt bei 30,2%

(15.12.2016) Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der österreichischen Firma EV Group eine Mehrfachsolarzelle auf Silizium-Basis entwickelt, die mit zwei Kontakten auskommt und die theoretische Wirkungsgradgrenze reiner Silizium-Solarzellen überschreitet.

Gebondete III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit 30,2% Wirkungsgrad (Foto © Fraunhofer ISE / A. Wekkeli)

Für die neuartige Mehrfachsolarzelle übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V Halbleiterschichten auf Silizium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Dabei werden Oberflächen nach einer Plasmaaktivierung im Vakuum unter Druck miteinander verbunden. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silizium eingehen. Für eine derartige vollständig integrierte Mehrfachsolarzelle auf Silizium-Basis stellt der erzielte Wirkungsgrad ein bemerkenswertes Ergebnis dar. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliziumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit einer Fläche von 4 cm² wurde im Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE vermessen und weist eine Effizienz von 30,2% für die Umwandlung des einfallenden Lichts in elektrische Energie auf. Die bislang höchste Effizienz einer reinen Siliziumsolarzelle liegt bei 26,3% und das für Silizium theoretisch berechnete Limit bei 29,4%. 

Stromspannungscharakteristik der GaInP/GaAs/Si Solarzelle, vermessen im Fraunhofer ISE Kalibrierlabor (Foto © Fraunhofer ISE)

Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle müssen die Kosten der III-V Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silizium weiter gesenkt werden. Hier sehen die Freiburger Fraunhofer-Forscher noch große Herausforderungen.