Hocheffiziente III-V Mehrfachsolarzellen auf Silizium
Die aktuell mit Abstand am weitest verbreiteten Silizium Solarzellen weisen relativ geringe Herstellungskosten auf, sind jedoch im Wirkungsgrad auf aktuell ca. 25 % begrenzt. Eine signifikante Steigerung ist bei diesem Zelltyp nicht mehr zu erwarten, da durch Einfachzellen wie der Si-Zelle keine Nutzung des kompletten Spektrums der Sonne möglich ist.
III-V Mehrfachsolarzellen erreichen dagegen deutlich höhere Wirkungsgrade von bis zu 46,0 % (Fraunhofer ISE). Dies wird durch Stapelung mehrerer Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken erreicht. Diese werden jedoch auf teuren Substraten wie Germanium oder Galliumarsenid abgeschieden, die zusammen mit der kostspieligen Abscheidung der III-V Schichten mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie die Zellkosten soweit steigen lassen, dass diese nicht durch den erhöhten Wirkungsgrad kompensiert werden können. Durch den Einsatz einer kleineren Zellfläche (Faktor 100-1000) und optischer Konzentrationselemente ist dieses Konzept allerdings heute schon konkurrenzfähig.
Um die Kosten weiter zu senken und die Technologie attraktiv für nichtkonzentrierende Flachmodule zu machen, kann das teure Germanium- oder Galliumarsenid-Substrat durch günstiges, weit verbreitetes und nahezu unerschöpfliches Silizium ersetzt werden. Jedoch liegt der Unterschied in den Gitterkonstanten bei 4 %, wodurch ein einfaches Aufwachsen der III-V Schichten nicht möglich ist. Durch die entstehenden Verspannungen im Material treten schon bei einer sehr geringen Schichtdicke Kristallfehler auf, die in den Schichten als Rekombinationszentren agieren und die Leistung der Solarzelle senken. Die Heteroepitaxy von III-V Halbleitern auf Silizium beinhaltet darüber hinaus noch weitere Herausforderungen wie Antiphasendomänen, die eine systematische Analyse und Entwicklung der Epitaxieprozesse nötig machen.
Das Ziel des Promotionsvorhabens ist es, die Germanium-Unterzelle der in der Industrie etablierten GaInP/GaAs/Ge Struktur durch eine Silizium-Unterzelle zu ersetzen. Zu Beginn wird der Nukleationsprozess einer III-V Schicht auf Silizium optimiert, um möglichst defektfreies Material zu erhalten. Die Entwicklung der darauffolgenden Pufferstruktur ist ein zentrales Element dieses Forschungsvorhabens, da die Qualität dieser Struktur die Zellleistung der darüber gewachsenen Teilzellen diktiert. Diese Struktur ist essentiell, da sie den Übergang von einer Gitterkonstante zu einer anderen möglich macht. Werden jedoch die entstehenden Versetzungen nicht ausschließlich im Puffer lokalisiert, sondern dringen in die oberen Teilzellen vor, so sinkt die Diffusionslänge der Minoritäten und damit der Zellwirkungsgrad. Auf diesen Puffer wird eine GaInP/GaAs Tandemzelle abgeschieden, wodurch mit einem aktiven Silizium Substrat eine Tripelzelle entsteht. Das Ziel ist es, den Wirkungsgrad dieser Struktur auf über 30 % zu steigern.