Wirkungsgradgrenze überschritten Siliziumbasierte Mehrfachsolarzelle erreicht Rekordwert

Gebondete III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit 30,2 Prozent Wirkungsgrad.
Gebondete III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit 30,2 Prozent Wirkungsgrad.

Der theoretisch höchstmögliche Wirkungsgrad einer reinen Siliziumsolarzelle liegt bei 29,4 %. Nun wurde eine III-V-Mehrfachsolarzelle mit einem noch höheren Wirkungsgrad entwickelt.

Forschern am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gemeinsam mit der österreichischen Firma EV Group gelungen, eine siliziumbasierte Mehrfachsolarzelle mit nur zwei Kontakten herzustellen, die einen besseren Wirkungsgrad erreicht, als das mit reinen Si-Solarzellen theoretisch überhaupt möglich ist.

Die Solarzelle zeichnet sich durch eine komplexe innere Struktur aus. Um diese zu erhalten wurden III-V-Halbleiterschichten, die nur wenige Mikrometer dick sind, auf Silizium aufgetragen. Dies geschah mittels direktem Waferbonden. Die Atome der III-V-Oberfläche gehen dabei Bindungen mit dem Silizium ein.

Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, denn sie besitzt wie herkömmliche Si-Solarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und lässt sich wie diese in PV-Module integrieren.

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

Die Mehrfachsolarzelle besteht aus einer Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silizium, die intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die GaAs-Zelle zwischen 500 und 890 nm und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 nm.

Wenn eine solche III-V/Si-Mehrfachsolarzelle eines Tages industriell gefertigt werden soll, müssen die Kosten der III-V-Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silizium noch deutlich gesenkt werden. An diesen Herausforderungen wollen die Freiburger Fraunhofer-Forscher in dem neu entstehenden Zentrum für Höchsteffiziente Solarzellen lösen. Dort sollen sowohl künftige III-V- als auch Si-Technologien entwickelt werden.