Neuer Solarzellenrekord : Höhere Wirkungsgrade im Tandem

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet seit vielen Jahren an Mehrfachsolarzellen, bei denen zwei oder drei Teilzellen übereinander angeordnet werden, um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts in Strom zu wandeln. Für den infraroten Anteil des Spektrums eignet sich Silicium als Absorber und darüber werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern aufgetragen, dies sind Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems, welche das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln. Reine III-V Halbleiter-Solarzellen werden bereits im Weltraum und in der Konzentrator- Photovoltaik eingesetzt. Durch kostengünstigere Verfahren im Zusammenspiel mit Silicium als unterster Teilzelle soll die Tandem-Technologie in Zukunft auch für die breite Photovoltaik zugänglich gemacht werden. Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg.

Es gibt unterschiedliche Ansätze, um Kombinationen aus III-V- und Siliciumsolarzellen herzustellen. So hält das Fraunhofer ISE seit 2019 den Weltrekordwert von 34,1 Prozent Wirkungsgrad (neu 34,5 Prozent) für eine Tandemsolarzelle, bei der die III-V Halbleiterschichten von einem Galliumarsenid-Substrat auf Silicium übertragen werden, wobei die Schichten durch einen sogenannten Wafer-Bond verbunden sind. Diese Technologie ist effizient aber teuer. Daher arbeitet das Fraunhofer ISE seit vielen Jahren an direkteren Herstellungsverfahren, bei denen die III-V Schichten auf eine Siliciumsolarzelle abgeschieden bzw. epitaxiert werden. Hierbei ist es entscheidend, eine hohe Kristallqualität aller Schichten zu erhalten – eine große Herausforderung. Für eine solche, direkt auf Silicium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle wurde jetzt mit 25,9 Prozent ein neuer Weltrekord-Wirkungsgrad erzielt.

Ein besonderes Highlight der neuen Tandemsolarzelle ist es, dass die III-V Schichten nicht wie bisher üblich auf einem chemisch-mechanisch polierten Substrat gewachsen wurden, sondern auf einem Silicium-Wafer, der nach dem Sägen des Kristalls in einem einfachen Verfahren nur mittels kostengünstiger Schleif- und Ätzprozesse behandelt wurde. Im Rahmen des europäischen Projekts »SiTaSol« hatte die dänische Firma Topsil diese Silicium-Wafer entwickelt und damit einen wichtigen Schritt in Richtung einer wirtschaftlichen Produktion der neuen Mehrfachsolarzellen realisiert. In Zukunft wird es darum gehen, die Effizienz noch weiter zu erhöhen und auch die Abscheidung der Schichten noch schneller, mit höherem Durchsatz und damit kostengünstiger zu realisieren, mit dem Ziel, dass die Tandem-Photovoltaik einen wichtigen Beitrag zu dem für die Energiewende notwendigen Photovoltaik-Zubau leisten kann.

Strom aus Solarzellen ist in vielen Teilen der Welt heute die günstigste Form der Energiegewinnung. »Die europäische Photovoltaik-Forschung hat zahlreiche Konzepte in Arbeit, um die Effizienz dieser Schlüsseltechnologie für die Energiewende noch weiter zu entwickeln«, so Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik – Forschung. »Wir arbeiten nicht nur daran, die Produktion von Siliciumsolarzellen noch nachhaltiger und kostengünstiger zu machen, sondern gehen gleichzeitig neue Wege, um das bewährte Silicium in Verbindung mit anderen Halbleitermaterialien zu noch höheren Effizienzen zu führen. Dies gelingt uns mit der Tandem-Photovoltaik.« Die Tandem-Photovoltaik eröffnet nicht nur den Weg in die Zukunft der Stromerzeugung, diese Solarzellen eignen sich – aufgrund ihrer höheren Spannung – auch hervorragend für die Elektrolyse, die direkte Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Somit leistet diese Technologie auch einen Beitrag zur Gewinnung von Wasserstoff als Energiespeicher und wichtigem Baustein für die Energiewende.