Neuer Solarzellenrekord – New solar cell record

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Höhere Wirkungsgrade im Tandem – neuer Solarzellenrekord

Die Photovoltaikforschung arbeitet mit Nachdruck daran, die Wirkungsgrade von Solarzellen immer weiter zu erhöhen. Zunehmend rückt die Tandem-Photovoltaik dabei in den Fokus, bei der in unterschiedlichen Kombinationen leistungsstarke Solarzellenmaterialien zusammengeführt werden, um so das Sonnenspektrum bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie noch effizienter zu nutzen. Das Fraunhofer ISE verzeichnet jetzt mit 25,9 Prozent Wirkungsgrad einen neuen Rekordwert für eine direkt auf Silicium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle. Diese wurde erstmals auf einem kostengünstigen Siliciumsubstrat hergestellt – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu wirtschaftlichen Lösungen für die Tandem-Photovoltaik.

 

 

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.

25,9 Prozent für direkt auf Silicium gewachsene III-V/Si Tandemsolarzelle

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. Fraunhofer ISE Wissenschaftler Markus Feifel konnte seinen Erfolg jüngst auf der 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die wie derzeit viele Konferenzen online stattfindet, präsentieren und wurde dafür mit dem Student Award in der Kategorie Hybrid Tandemsolarzellen geehrt. »Von außen ist die komplexe innere Struktur der Zelle nicht sichtbar, da alle Absorber durch weitere Kristallschichten miteinander verbunden und elektrisch verschaltet sind« erklärt der junge Solarzellenforscher, der damit in weniger als einem Jahr das Ergebnis seiner Arbeiten von 24,3 auf 25,9 Prozent verbessern konnte. »Gelungen ist dieser Erfolg durch das Austauschen einer einzigen dünnen Schicht innerhalb der Mehrfachzelle«, erklärt er weiter. »Eine sorgfältige Analyse unserer Zellen ergab, dass diese Schicht zu einer Barriere für die Stromleitung geführt hat.«

In kleinen Schritten haben die Fraunhofer Forscher die Technologie seit 2007 gemeinsam mit der TU Ilmenau, der Philipps Univ. Marburg und der Firma Aixtron weiterentwickelt, spezielle Epitaxie-Anlagen aufgebaut und jede einzelne Schicht der Struktur untersucht. Diese Entwicklungen wurden vom Bundesforschungsministerium BMBF im Rahmen der Projekte »III-V-Si« und »MehrSi« gefördert. 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.

Schlüsseltechnologie für die Energiewende

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.

 

 

Schichtstruktur der III-V/Si Mehrfachsolarzelle, Quanteneffizienz sowie IV-Charakteristik unter AM 1.5g Spektralbedingungen

Higher efficiencies in tandem – new solar cell record

Photovoltaics research is working hard to continually increase the efficiency of solar cells. Increasingly, the focus is on tandem photovoltaics, in which high-performance solar cell materials are brought together in various combinations in order to use the solar spectrum even more efficiently in converting light into electrical energy. Fraunhofer ISE is now reporting a new record efficiency of 25.9 percent for a III-V/Si tandem solar cell grown directly on silicon. For the first time, this was produced on a low-cost silicon substrate – an important milestone on the way to economical solutions for tandem photovoltaics.

 

 

The Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE has been working for many years on multi-junction solar cells in which two or three partial cells are arranged one above the other to convert different wavelengths of sunlight into electricity. Silicon is suitable as an absorber for the infrared part of the spectrum, and layers of III-V semiconductors, materials from groups III and V of the periodic table, which convert the ultraviolet, visible and near-infrared light more efficiently into electricity, are deposited on top of it. Pure III-V semiconductor solar cells are already used in space and in concentrator photovoltaics. Through more cost-effective processes in combination with silicon as the lowest sub-cell, the tandem technology is to be made accessible for broad-based photovoltaics in the future. However, there is still a long way to go until then.

25.9 percent for III-V/Si tandem solar cells grown directly on silicon

There are different approaches to produce combinations of III-V and silicon solar cells. For example, since 2019, Fraunhofer ISE has held the world record of 34.1 percent efficiency (now 34.5 percent) for a tandem solar cell in which the III-V semiconductor layers are transferred from a gallium arsenide substrate to silicon, with the layers being connected by a so-called wafer bond. This technology is efficient but expensive. For this reason, Fraunhofer ISE has been working for many years on more direct manufacturing processes in which the III-V layers are deposited or epitaxied onto a silicon solar cell. Here, it is crucial to maintain a high crystal quality of all layers – a major challenge. A new world record efficiency of 25.9 percent has now been achieved for such a III-V/Si tandem solar cell grown directly on silicon. Fraunhofer ISE scientist Markus Feifel was recently able to present his success at the 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, which, like many conferences at present, is held online, and was honored with the Student Award in the category Hybrid Tandem Solar Cells. „From the outside, the complex inner structure of the cell is not visible, since all absorbers are connected to each other by additional crystal layers and electrically wired,“ explains the young solar cell researcher, who was thus able to improve the result of his work from 24.3 to 25.9 percent in less than a year. „This success was achieved by replacing a single thin layer within the multiple cell,“ he continues. „A careful analysis of our cells revealed that this layer created a barrier to the power line.“

In small steps, the Fraunhofer researchers have been developing the technology further since 2007 in collaboration with the Technical University of Ilmenau, Philipps Univ. Marburg and the company Aixtron, setting up special epitaxy equipment and examining every single layer of the structure. These developments were funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the „III-V-Si“ and „MehrSi“ projects. A particular highlight of the new tandem solar cell is that the III-V layers were not grown on a chemically-mechanically polished substrate as was previously the case, but on a silicon wafer which, after sawing the crystal, was treated in a simple process using only inexpensive grinding and etching processes. Within the European project „SiTaSol“, the Danish company Topsil had developed these silicon wafers and thus realized an important step towards an economic production of the new multi-junction solar cells. In the future, the aim will be to increase efficiency even further and also to realize the deposition of the layers even faster, with higher throughput and thus more cost-effectively, with the aim that tandem photovoltaics can make an important contribution to the photovoltaic expansion necessary for the energy turnaround.

Key technology for energy system transformation

In many parts of the world today, electricity from solar cells is the cheapest form of energy generation. „European photovoltaic research is working on numerous concepts to further develop the efficiency of this key technology for the energy turnaround,“ says Prof. Dr. Stefan Glunz, head of the Photovoltaics Research Division. „We are not only working on making the production of silicon solar cells even more sustainable and cost-effective, but at the same time we are also breaking new ground in order to lead the proven silicon in combination with other semiconductor materials to even higher efficiencies. We are achieving this with tandem photovoltaics. Tandem photovoltaics not only opens the way into the future of power generation, these solar cells – due to their higher voltage – are also ideally suited for electrolysis, the direct decomposition of water into hydrogen and oxygen. This technology thus also contributes to the production of hydrogen as an energy storage medium and an important building block for the energy turnaround.

 

 

Layer structure of III-V/Si multi-junction solar cell, quantum efficiency and IV characteristics under AM 1.5g spectral conditions