Entwicklung von metamorphen Mehrfachsolarzellen mit vier pn-Übergängen
Die nachhaltige Energiegewinnung ist eine der größten Herausforderungen der Menschheit. Noch immer wird ein Großteil der Energie durch fossile Brennstoffe, deren Ressourcen begrenzt sind, und Atomkraft, die große Risiken birgt, zu Verfügung gestellt. Da die Erde, abgesehen von der Sonneneinstrahlung, ein abgeschlossenes System ist, muss langfristig sämtliche Energie aus regenerativen Energieträgern gewonnen werden, wobei großes Potential der Photovoltaik zugesprochen wird. Diese Forschungsarbeit wird durch eine Erhöhung des Wirkungsgrads von III-V Solarzellen einen Beitrag dazu leisten, Photovoltaik auch finanziell noch attraktiver zu machen und somit die Energiewende, hin zu regenerativen Energien, zu beschleunigen.
Die viel verwendeten Siliziumsolarzellen erreichen heute einen Wirkungsgrad von 25 %. Dieser Wirkungsgrad kann durch das Stapeln mehrerer Solarzellen unterschiedlicher Bandlücken in einem Kristall deutlich erhöht werden. Für diese Zellen bieten sich III-V Halbleitermaterialien durch ihre variable Bandlücke an. Die höheren Preise für diese Materialien können durch die Verwendung von Konzentratormodulen und die daraus resultierende, geringere Größe der benötigten Zellen ausgeglichen werden. Der momentane, im Labor erreichte, Wirkungsgrad für solche Konzentratorzellen liegt bei 43,5% bei 418facher Konzentration des Sonnenlichts.
Bei Mehrfachsolarzellen begrenzt die Teilzelle mit dem geringsten Strom den der kompletten Zelle. Der Strom des Industriestandards für Konzentratorzellen mit gitterangepassten GaInP/GaAs/Ge-Teilzellen wird durch die beiden stromangepassten GaInP- und GaAs-Zellen im Strom begrenzt, denn die Ge-Unterzelle könnte den doppelten Strom liefern. Rechnungen ergeben, dass durch eine Teilzelle über der Ge-Unterzelle mit einer Bandlücke von 1,0 eV der Wirkungsgrad der gesamten Zelle auf über 50 % erhöht werden kann.
Bei der Produktion solcher Mehrfachsolarzellen werden in einem epitaktischen Verfahren Halbleiterschichten auf einem Substrat abgeschieden. Diese Schichten wachsen zuerst mit der Gitterkonstante des Substrats bis sich ab meiner kritischen Schichtdicke Versetzungen und somit Rekombinationszentren bilden. Vorteil der GaInP/GaAs/Ge-Zelle ist, dass die Materialien alle die gleiche Gitterkonstante haben.
In dieser Arbeit soll eine metamorphe GaInP/GaAs//GaInAs/Ge Vierfachzelle mit einer 1.0eV GaInAs-Teilzelle entwickelt werden. Herausforderung dabei ist die Überwindung des Unterschieds in der Gitterkonstante von3,6 % zwischen Ge bzw. GaAs und GaInAs (1,0eV).
Zwischen Ge- und GaInAs-Teilzellen wird ein optisch inaktiver Puffer verwendet. In diesem Puffer werden durch stufenweises Ändern der Gitterkonstante die entstehenden Versetzungen im Puffer lokalisiert.
Die GaInP- und GaAs-Teilzellen werden gitterangepasst invers auf ein GaAs-Trägersubstrat abgeschieden. Danach werden diese zwei Strukturen mit jeweils zwei Teilzellen miteinander durch Wafer-Bonding verbunden. Durch dieses Verfahren entstehen kovalente Bindungen zwischen diesen Schichten unterschiedlicher Gitterkonstante. Danach wird das GaAs-Trägersubstrat abgelöst.
Hierbei soll der wissenschaftliche Fokus auf dem Verständnis der Bildung von Versetzungen wie auch der quantitativen Bestimmung von Versetzungsdichten liegen.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung einer solchen Vierfachsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von mindestens 45%, deren Potential hin zu 50% aufgezeigt wird.