Vierfach-Solarzelle mit 43,6 Prozent Wirkungsgrad unter konzentriertem LichtIn einem ambitionierten Industrieprojekt mit der französischen Firma SOITEC arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) gegenwärtig an einer neuen Generation von Mehrfach Solarzellen die das Potenzial haben in Zukunft Wirkungsgrade bis zu 50 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht zu erreichen. Mehrfach Solarzellen finden ihren Einsatz in Konzentrator-Photovoltaik-Kraftwerken.
Um in Zukunft Wirkungsgrade bis zu 50 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht zu erreichen, werden anstelle der bisher gängigen Dreifach Solarzellen die aus Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems bestehen – nun erstmals Vierfach Solarzellen eingesetzt. 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.
„Wir freuen uns sehr über den gemeinsamen Erfolg einer 43,6 Prozent Solarzelle, den wir mit Hilfe der Technologie des Waferbondens 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, 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 Waferbonden 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 spezieller Substrate für die Mikroelektronikindustrie eingesetzt. SOITEC und CEA-Leti haben es gemeinsam geschafft, das Waferbonden 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 Prozent bei 319-facher Konzentration des Sonnenlichts erreicht. Bei einem Konzentrationsfaktor zwischen 250 und 500 Sonnen liegt der Wert durchgehend über 43 Prozent. 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 50 Prozent.
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 die höchsteffizienten Solarzellen und punktfokussierenden Konzentratormodule im Auftrag von SOITEC 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.“
Die deutsch-französische Kooperation zwischen dem Fraunhofer ISE, dem CEA-Leti und SOITEC startete mit dem Fraunhofer-Carnot Projekt „SolarBond“, das zwischen 2009 und 2011 von der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR) und dem deutschen Bundesforschungsministerium BMBF gefördert wurde. Die Partner konnten in diesem Projekt erstmals den Transfer ultra-dünner III-V Solarzellenschichten und den Einsatz wiederverwendbarer Substrate demonstrieren – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung der neuen Vierfach-Solarzellen. Die erfolgreiche Zusammenarbeit war 2011 mit dem Deutsch-Französischen Wirtschaftspreis ausgezeichnet worden.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE