Verbesserung von Silizium-Solarzellen durch Nanodraht-Deckschichten
Silizium ist weiterhin der wichtigste Werkstoff im Bereich der Solarzellen. Neu entstehende Technologien nutzen Silizium jedoch auf innovative Art und Weise. Mit der Nutzung von bewährtem und erprobtem Silizium als Basiszelle in Verbindung mit Nanodrähten aus III-V-Halbleitern (Legierungen aus Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems) als oberste Zelle hat das EU-finanzierte Projekt Nano-Tandem den Weg geebnet, Hindernisse für eine höhere Effizienz zu geringeren Kosten aus dem Weg zu räumen. Durchbrüche bei Funktion und Kosten von Nanodraht Nanodrähte sind sehr kleine Elemente, die ungefähr 100 Nanometer breit und 10 Mikrometer lang sind. In der Tandemzelle werden diese in vertikaler Konfiguration mit etwa 6-7 Millionen Nanodrähten pro Quadratmillimeter Zelle eingesetzt. Das TASE-Verfahren (Template-assisted selective epitaxy) wurde für das Wachstum von Nanodrähten direkt auf einem Siliziumträger verwendet. Die Forschenden demonstrierten mit dem Einsatz dieses Verfahrens aktive p-n Verbindungen in Nanodrähten aus Indiumgalliumphosphid (InGaP), die mit TASE gewachsen sind. Die Nanodraht-Nukleation auf einem III-V-Substrat statt Silizium sorgte für eine mehr als siebenfache Verbesserung im Wirkungsgrad der Nanodraht-Solarzellen mit Indiumphosphid (InP) – der Wirkungsgrad von 15 % stellt einen Rekord dar. Funktionale Nanodrähte erfordern Tunneldioden, deren Herstellung bisher eine ziemliche Herausforderung darstellte. Dank Nano-Tandem konnte dieses Hindernis beiseite geschafft werden und erstmals gezeigt werden, dass sich Nanodraht-Tunneldioden mit InP/InGaP fertigen lassen. Die Charakterisierung der Tunneldioden durch elektronenstrahlinduzierten Strom (electron-beam-induced current, EBIC) war entscheidend, um die Legierungszusammensetzung und somit die Qualität der Dioden zu steigern. Um die Nanodrähte auf Silizium zu übertragen, integrierten die Wissenschaftler die Nanodrähte in eine Polymer-Membran, zogen die Membran ab und verbanden sie mit ihrer neuen Basiszelle. Nach dreimaligem Einsatz waren die ursprünglichen Substrate unverändert und ermöglichten sogar einen häufigeren Einsatz und weitere Kostenersparnisse. Schlussendlich optimierte das Team eine vielversprechende Technik, Aerotaxie, die das Wachstum von Nanodrähten aus Streuteilchen direkt im gasförmigen Zustand ohne Substrat ermöglicht. Die Wachstumsraten sind 100-1 000 Mal höher als beim herkömmlichen epitaktischen Wachstum, was eine erhebliche Reduzierung der Kosten verspricht. Projektkoordinator Lars Samuelson erklärt: „Die Bildung von Aerotaxie-Nanodrähten in einer Membran stellte wirklich eine Herausforderung dar.“ Die Wissenschaftler von Nano-Tandem profitierten von einem spezialisierten Tintenverfahren für die Ausrichtung der Drähte. Durch dieses Hochdurchsatzverfahren stellte das Team hochwertige Nanodraht p-n Verbindungen aus Galliumarsenid (GaAs) her. Die Projektleiter geben an: „Der erwartete Preis für ein GaAs/Si Nanodraht-Tandemmodul mit 28 % Wirkungsgrad, das mit dem Aerotaxie-Verfahren hergestellt wurde, liegt bei 0,296 USD/W. Der voraussichtliche künftige Preis für konventionelle Module aus kristallinem Silizium liegt bei 0,39 USD/W für ein Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 %.“ Die Solarzellentechnologie von Nano-Tandem mit einer höheren Wirkung bei einem deutlich niedrigeren Preis sollte ein Gewinner auf dem weltweiten Markt für erneuerbare Energie sein. Innovativer Lichteinfang für nanodrahtbasierte Solarzellen Konventionelle hocheffiziente Solarzellen aus Silizium verwenden Lichteinfangmechanismen, die Strukturen auf der Vorderseite nutzen, um die Absorption zu fördern. Diese Technik ist keine Option für Tandem Nanodraht-/Silizium-Solarzellen, daher hat Nano-Tandem eine photonische Lichteinfangstruktur für die Rückseite entwickelt. Damit haben die Wissenschaftler einen neuen Weltrekord im Umwandlungswirkungsgrad (33,3 %) für eine Tandem-Dünnfilm-Solarzelle mit III-V/Silizium erreicht. Anwendung in der Solarenergie und darüber hinaus Die Entwicklungen von Nano-Tandem in der Prozessoptimierung und Charakterisierung haben das Wachstum von Nanodraht und seine Funktionalität verbessert und gleichzeitig für einen höheren Wirkungsgrad der Basiszelle aus Silizium gesorgt. Die ausführlichen Ergebnisse können in 38 von Fachleuten begutachteten wissenschaftlichen Veröffentlichungen nachgelesen werden. Diese Erfolge ebnen den Weg für kostengünstige großflächige Tandem-Nanodraht III-V/Silizium-Solarzellen und eine europäische Führungsposition auf dem wachsenden PV-Markt. Sie sollten außerdem für Innovationen in Geräten wie LED, Mikroelektronik und Sensoren sorgen können.
Schlüsselbegriffe
Nano-Tandem, Nanodraht, Silizium, Solarzelle, Tandem, Wirkungsgrad, III-V, Aerotaxie, Tunneldiode, kostengünstig, TASE