Die Entwicklung ressourceneffizienter PV-Technologien ist unabdingbar, um nachhaltig den Ausbau und die Versorgung mit erneuerbaren Energien aufrechtzuerhalten. Ein direkter Hebel, um den Ressourcenverbrauch pro Watt zu verringern, ist das Steigern des Wirkungsgrades von Solarzellen. Da sich siliziumbasierte Einfachsolarzellen inzwischen dem theoretischen Limit des Wirkungsgrades von 29,4% nähern, müssen alternative Technologien zum Einsatz kommen. Tandemsolarzellen übersteigen dieses Limit durch die Kombination zweier Absorber und stehen damit seit Jahren im Fokus der Solarzellforschung. Während Perowskit-basierte Tandemsolarzellen hohe Wirkungsgrade bei potenziell niedrigen Kosten versprechen, sind sie noch in einer frühen Phase der Forschung. III-V Tandemzellen hingegen haben wesentlich höhere Materialkosten, sind aber eine ausgereifte, stabile Technologie.
Durch eine signifikante Reduktion des benötigten III-V Materials bei gleichzeitigem Erhalt des Wirkungsgrades könnten die Kosten für III-V Tandemzellen so weit gesenkt werden, dass Sie als ressourceneffiziente PV-Technologie breiter zum Einsatz kommen könnten. Werden allerdings die Schichtdicken beider Absorber einer solchen III-V Tandemsolarzelle reduziert, müssen für den Erhalt des Wirkungsgrades komplexe Lichteinfangstrategien entwickelt werden, die die Absorption der einzelnen Teilzellen wellenlängenspezifisch kontrollieren können.
Diese Promotion hat das übergeordnete Ziel, einen stabilen Prozess für die Implementierung komplexer Lichteinfangstrategien in Form von photonischen Strukturen in III-V-Halbleiter zu entwickeln. Hierfür wird der Fokus auf experimentell wesentlich einfacher herzustellende und zu bewertende Einfachsolarzellen gelegt. Mein konkretes Ziel ist es, höchsteffiziente ultradünne III-V Einfachsolarzellen zu entwickeln, bei denen der III-V Materialverbrauch um das 5–10-fache reduziert werden kann. Als Nachweis hierfür strebe ich eine GaAs Einfachsolarzelle mit einer aktiven Zelldicke < 300 nm und einem Wirkungsgrad von > 26 % an.
Zwei wichtige Meilensteine der Photovoltaik-forschung werden so im Rahmen meiner Promotion erreicht: Theoretisch vorhergesagte Stromerhöhungen durch photonische Strukturen in ultradünnen Solarzellen können experimentell nachgewiesen werden, was einen großen Meilenstein für die Ressourceneinsparung wichtiger Halbleitermaterialien darstellt. Des Weiteren können die Ergebnisse unmittelbar auf Tandemsolarzellen aus III-V, aber prinzipiell auch aus anderen Materialien, übertragen werden und damit einen wichtigen Beitrag zur nächsten Generation von höchsteffizienten und ressourcenschonenden Tandemsolarzellen liefern.