Die Technologie des kristallinen Siliziums auf dem Weg zu höherem Wirkungsgrad
Herkömmliche Solarzellen aus überwiegend kristallinem Silizium gelten seit vielen Jahrzehnten als zuverlässige Technologie für die Photovoltaik. Sie haben kontinuierliche Effizienzverbesserungen und Kostensenkungen ermöglicht. Doch heute stoßen diese Geräte an ihre theoretischen Grenzen. Tandem-Bauelemente, die ein deutlich höheres Wirkungsgradpotenzial aufweisen, könnten diese überwinden. Das EU-finanzierte Projekt SiTaSol arbeitete an der Herstellung einer Tandemsolarzelle unter Verwendung von Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Silizium (Si). Die GaAsP-/Si-Solarzelle wird auf einer neuen Plattform aufgebaut, die kostengünstige Silizium-Wafer und Epitaxie mit einer hohen Durchsatzrate kombiniert. Die Lösung basiert auf dem Prinzip der Tandemtechnologie, also der Aufteilung des Sonnenspektrums in verschiedene Spektralbänder, die in unterschiedlichen Absorptionsmaterialien – in diesem Fall Galliumarsenidphosphid und Silizium – absorbiert und umgewandelt werden.
Auf dem Weg zu einer erschwinglichen und hocheffizienten Lösung
„Das Hauptziel des Projekts SiTaSol bestand darin, eine Technologie für eine Tandemsolarzelle mit III-V/Silizium zu finden, die einen Wirkungsgrad von 30 % erreicht, wobei der Prozess bis in den GW/Jahr-Bereich skalierbar ist und die Kosten auf dem Photovoltaik-Markt akzeptabel sind“, erklärt Projektkoordinator Frank Dimroth. Dafür mussten mehrere Bausteine untersucht werden: der Epitaxieprozess für III-V-Kristallschichten; die Herstellung des Silizium-Wafers, der für das III-V-Wachstum bereit ist; die Bildung der Silizium-Bottomzelle, einschließlich des Lichteinfangs; die Verarbeitung der Kristalle zu Solarzellen mit Kontakten und die Antireflexionsbeschichtung. SiTaSol baute eine neue Epitaxieanlage mit dem größten derzeitigen Durchsatz und produzierte GaAsP-/Si-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 20,8 % unter Verwendung eines kostengünstigen Silizium-Substrats und hohen Wachstumsraten von 100 µm/h. Nach Hinzufügen eines dritten Überganges wurden sogar 25,9 % erreicht. Dimroth stellt klar: „Nicht alle Routen waren erfolgreich, aber schließlich konnten wir III-V/Silizium-Tandemsolarzellen demonstrieren, die sich unserem Ziel nähern. Natürlich liegt die Effizienz immer noch unter der von Geräten im Labor, aber es ist ermutigend, dass die Kombination aus kostengünstiger Herstellung und hoher Leistung erreicht werden kann.“
Innovation und Experimentieren zahlen sich aus
Das Team untersuchte erfolgreich neue Technologien zur Herstellung von Silizium-Substraten mit einer nahezu perfekten Oberfläche ohne chemisch-mechanisches Polieren. Darüber hinaus wurden neue Verfahren zur Verbesserung der Lichtabsorption in Silizium eingeführt und neue Wege zur Herstellung von Metallkontakten auf den Zellen mittels Tintenstrahldruck erprobt – eine vielversprechende Technik, sofern sie sich in Zukunft optimieren lässt. Außerdem wurden verschiedene Methoden untersucht, um den III-V-Absorber mit Silizium zu verbinden – zum Beispiel durch Kleben als Alternative zum direkten Wachstum. Es stellte sich heraus, dass die einfachste Methode darin besteht, die sehr dünnen III-V-Schichten (2-3 µm) direkt auf die Silizium-Bottomzelle aufwachsen zu lassen.
Umweltvorteile der Tandem-Solarzellentechnologie
Ein hoher Umwandlungswirkungsgrad bietet einen ökologischen Vorteil: Er führt zu einer kleineren Modulfläche, wodurch weniger Land und Materialien für den Bau der Module benötigt werden. „Die Ergebnisse zeigen, dass ein höherer Umwandlungswirkungsgrad der Photovoltaik zu einer Verringerung der Umweltbelastung beiträgt. Die gute Nachricht ist, dass wir keine größeren Hindernisse auf dem Weg zur Realisierung dieses Produkts in großem Maßstab finden konnten“, so Dimroth abschließend.
Schlüsselbegriffe
SiTaSol, Solarzellen, Wirkungsgrad, Silizium, kostengünstig, Photovoltaik, kristallines Silizium
