Neuigkeiten aus dem Forschungslabor

Aenert. Research Laboratory news
Solarzellen und Solarpaneele werden häufig verwendet, um die Energie der Sonne zu nutzen und sie auf umweltfreundliche Weise in Strom umzuwandeln. Trotz ihrer weit verbreiteten Anwendung ist ihr Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Photovoltaik-Energie jedoch auf mehr oder weniger 29,4 Prozent begrenzt. Um diese Einschränkung etwas zu verbessern, können sie mit zusätzlichen Materialien beschichtet werden, um „Multijunction“-Solarzellen herzustellen. In diesen Zellen sind mehrere Lichtabsorptionsschichten übereinander gestapelt, sodass jede Schicht einen bestimmten Teil des Farbspektrums des Sonnenlichts effektiv absorbiert, was die Zelleffizienz erheblich steigern kann.

Jetzt ( 2023 ) hat ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Solarenergieforschung ISE und des NWO-Instituts AMOLF (Amsterdam) eine Mehrfachsolarzelle entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 36,1 Prozent erreicht. Dies ist der höchste Wirkungsgrad, der jemals für eine Solarzelle auf Siliziumbasis gemeldet wurde. Das Forschungsprojekt wurde durch das Fraunhofer-ICON-Programm gefördert. Das Fraunhofer-Team ist auf die Herstellung ultrahocheffizienter Solarzellen auf Basis von Silizium und III-V-Halbleitern wie GaInP oder GaAs spezialisiert.

Die neue Zelle kombiniert eine „Silicon TOPCon“-Solarzelle, ein neu entwickeltes hocheffizientes Zelldesign, mit zwei Halbleiterschichten bestehend aus Galliumindiumphosphid (GaInP) und Galliumindiumarsenidphosphid (GaInAsP). Der Schichtstapel ist außerdem mit einer speziell entwickelten Metall-/Polymer-Nanobeschichtung beschichtet. Der Rückreflektor verbessert die Fähigkeit der Zelle, Licht im Inneren der Solarzelle einzufangen, wodurch der Wirkungsgrad erstmals auf über 36 Prozent gesteigert werden konnte.

Image: Schematic layer stack of the III–V//Si triple-junction solar cell design including a double-layer antireflection coating (ARC), a highly doped n-GaAs cap layer below the contacts, a GaInP-rear-heterojunction top cell, a GaInAsP homojunction middle cell, a silicon bottom cell with tunnel-oxide passivating contacts (TOPCon) and a nanostructured diffractive rear-side grating for light path enhancement



Source: Patrick Schygulla1, Ralph Müller1, Oliver Höhn1, Michael Schachtner1, David Chojniak1, Andrea Cordaro², Stefan Tabernig², Benedikt Bläsi1, Albert Polman², Gerald Siefer1, David Lackner1, and Frank Dimroth/ Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g/ Progress in Photovoltaics Research and Applications, November 2021/ DOI:10.1002/pip.3503/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Mehrfachsolarzellen gelten als wichtiger Akteur bei der Förderung des Einsatzes von Solarzellen. Im Jahr 2023haben Wissenschaftler ein industrielles Masken- und Plattenverfahren für die Frontmetallisierung von III-V-basierten Solarzellen entwickelt, das die teure Fotolithographie ersetzen könnte. Die Metallkontakte wurden durch Galvanisieren von Nickel (Ni) direkt auf der Vorderseite der Solarzelle unter Verwendung einer präzise strukturierten Maske entworfen. Durch den Tintenstrahldruck werden schmale Öffnungen in die Vorderseite der Solarzelle eingebracht und diese so für die anschließende Galvanisierung vorbereitet. Die Breite der resultierenden Ni-Kontakte betrug nur (10,5 ± 0,8) µm mit scharfen Kanten und homogener Form. Die 4 cm² große Champion III-V-auf-Silizium-Dreifachsolarzelle mit Masken- und Plattenfrontmetallisierung konnte einen zertifizierten Umwandlungswirkungsgrad η von (31,6 ± 1,1) % (AM1,5 g-Spektrum) erreichen.

Image: Photograph of a III–V//Si wafer with inkjet-printed plating resist/mask on the front side. The mask is structured to realize twelve front grids for separate 4 cm²-sized solar cells. These exhibit two busbars at opposing edges and 22 fingers positioned rectangularly in between a pair of busbars. The mask opening width for the fingers varies from 15 µm (two left and two right cells) over 25 µm (four cells in second column from the left) to 35 µm (four cells in third column from the left). Additionally, a microscope image is shown in a green box. It highlights the transition area where a finger opening meets a busbar opening in the mask



Source: Jörg Schube, Oliver Höhn, Patrick Schygulla, Ralph Müller/ Mask and plate: a scalable front metallization with low-cost potential for III–V-based tandem solar cells enabling 31.6 % conversion efficiency/ Scientific Reports 13(1), September 2023/ DOI:10.1038/s41598-023-42407-4/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Auch im Jahr 2023Wissenschaftler analysierten die Zugspannungsrelaxation und die Zusammensetzungskontrolle von As-reichen GaAs1−xPx/(100)GaAs-Heterostrukturen mithilfe von Doppelkristall-Röntgenbeugung und Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie. Sie fanden heraus, dass dünne (80–150 nm) GaAs1−xPx-Epischichten durch ein Netzwerk von Fehlanpassungsversetzungen entlang der Probe in Ebenenrichtungen teilweise entspannt wurden. Sie verglichen auch Werte der restlichen Gitterspannung als Funktion der Epischichtdicke mit Vorhersagen aus dem Gleichgewichtsmodell (Matthews-Blakeslee) und dem Energiebilanzmodell. Basierend auf dem Gleichgewichtsmodell wurde festgestellt, dass sich die Epischichten langsamer entspannen als erwartet, was auf die Existenz einer Energiebarriere für die Entstehung neuer Versetzungen zurückgeführt wurde. Die Untersuchung der GaAs1−xPx-Zusammensetzung als Funktion des V-Gruppen-Vorläuferverhältnisses im Dampf während des Wachstums ermöglichte es den Forschern, den As/P-Anionensegregationskoeffizienten zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass der P-Einbau in nahezu pseudomorphe Heterostrukturen kinetisch aktiviert ist, mit einer Aktivierungsenergie EA = 1,41 ± 0,04 eV über den gesamten Zusammensetzungsbereich der Legierung.

Image: Plan-view FESEM micrographs of Sample C recorded by using the microscope (a) SE and (b) BSE current signals. A short-faceted trench (FT) indicated by the arrow is observed in (a) and better visualized in the magnified micrograph shown in the inset. The same FT is observed as a few-micron long and narrow black segment in (b). White markers in the micrographs represent 4 μm



Source: Paola Prete, Daniele Calabriso, Emiliano Burresi, Leander Tapfer/ Lattice Strain Relaxation and Compositional Control in As-Rich GaAsP/(100)GaAs Heterostructures Grown by MOVPE/ Materials 16(12):4254,  June 2023/ DOI:10.3390/ma16124254/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Das neue Multijunction-Solarzellendesign hat viele Vorteile: Die Multijunction-Zelle ist günstiger herzustellen als ultrahocheffiziente Solarzellen oder herkömmliche Siliziumsolarzellen, die Wirkungsgrade von bis zu 27 Prozent erreichen. Sein hoher Wirkungsgrad ist ein großer Vorteil für Anwendungen, bei denen der verfügbare Platz begrenzt ist und auf kleiner Fläche viel Solarstrom erzeugt werden muss. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise solarbetriebene Elektroautos, Konsumgüter und Drohnen. Das neue Lichtmanagement-Design ist auch auf andere Arten von Solarzellen anwendbar, beispielsweise auf Silizium-Perowskit-Mehrfachsolarzellen.

Es war eine große Leistung, dass es den Forschern beider Teams gelungen ist, die besten verfügbaren Prozesse zu kombinieren, um gemeinsam einen neuen Effizienzrekord für eine siliziumbasierte Mehrfachsolarzelle zu erzielen. Für dieses Ergebnis war nicht nur der neue Rückreflektor von AMOLF verantwortlich, sondern auch die verbesserte GaInAsP-Mittelzelle von Fraunhofer trug zu diesem hervorragenden Ergebnis bei.

Von der Redaktion