{"id":52158,"date":"2026-02-11T10:46:36","date_gmt":"2026-02-11T09:46:36","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dbu.de\/promotionsstipendium\/20022-007\/"},"modified":"2026-02-11T10:46:38","modified_gmt":"2026-02-11T09:46:38","slug":"20022-007","status":"publish","type":"promotionsstipendium","link":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/promotionsstipendium\/20022-007\/","title":{"rendered":"H\u00f6chsteffiziente III-V Tandemsolarzellen auf Silicium im Direktwachstum mit Wirkungsgraden \u00fcber 30 % f\u00fcr die Solare Erzeugung von Strom und Wasserstoff"},"content":{"rendered":"\n\n\n\n
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Die umweltvertr\u00e4gliche Produktion von Elektrizit\u00e4t und Wasserstoff ist eine zentrale Herausforderung f\u00fcr die Energiewende. Strom aus Solarenergie hat einen der Anteil am deutschen Stromverbrauch von 10 % (2021). Dieser Anteil muss daher stark gesteigert werden. Allerdings ist die Effizienz der aktuellen Solarmodule limitiert. Hier gibt es gro\u00dfe Anstrengungen dies zu verbessern, da h\u00f6here Wirkungsgrade den Fl\u00e4chen- und Materialverbrauch verringern.<\/p>\n

Um die Sicherstellung der Energieversorgung in den Sektoren W\u00e4rme, Transport und Industrie zu gew\u00e4hrleisten wird zus\u00e4tzlich jedoch noch ein Energietr\u00e4ger wie z.B. Wasserstoff ben\u00f6tigt. Auch hier ist eine hohe Effizienz in der Wasserstoffproduktion entscheidend, um den Material- und Fl\u00e4chenbedarf zu minimieren.<\/p>\n

Um diese Ziele zu erreichen, erweisen sich Mehrfachsolarzellen als besonders vielversprechend. Hierbei werden mehrere Teilzellen kombiniert, um die Effizienz konventioneller Silicium-Solarzellen zu verbessern. Die obere Solarzelle absorbiert den sichtbaren Teil des Sonnenlichts und wandelt ihn wesentlich effizienter als eine Siliciumzelle in Strom. Infrarotes Licht wird transmittiert und von der Unterzelle in Strom gewandelt. Mehrfachsolarzellen mit 5 Teilzellen aus reinen III-V Verbindungen erreichen heute schon Wirkungsgrade bis 39% und finden Einsatz in Satelliten. Allerdings sind die hier eingesetzten Materialien und Verfahren f\u00fcr die Anwendung auf der Erde zu teuer. Im Rahmen meiner Dissertation m\u00f6chte ich mich auf Entwicklungen in der Photovoltaik konzentrieren, welche das Potential haben, die Energiewende entscheidend voranzubringen.<\/p>\n

Hierzu ist eine Tandemzelle mit einem oberen Absorber aus den Elementen Gallium, Arsen und Phosphor (GaAsP) und einem unteren Absorber aus Silicium (Si) besonders vielversprechend. Dabei wird die hohe Effizienz von III-V Halbleitern mit der sehr guten Wirtschaftlichkeit der bereits etablierten und weit entwickelten Silicium Technologie verbunden.<\/p>\n

Die Entwicklung von GaAsP\/Si Tandemsolarzellen<\/strong> bietet gleich mehrere Vorteile gegen\u00fcber alternativen Ans\u00e4tzen: Die Materialkosten werden durch den Verzicht auf Indium erheblich gesenkt, gleichzeitig resultiert das Design der GaAsP\/Si Tandemsolarzelle durch eine d\u00fcnnere Schichtdicke im Vergleich zu komplexeren Mehrfachsolarzellen in einem weiteren Materialersparnis. Zus\u00e4tzlich ist mit diesem Ansatz eine schnelle und kosteng\u00fcnstige Herstellung der Struktur m\u00f6glich, wie es f\u00fcr die industrielle Skalierbarkeit notwendig ist, da dieses Materialsystem den Einsatz von Hochdurchsatzprozessen erlaubt.<\/p>\n

In dieser Arbeit wird die GaAsP Solarzellenstruktur direkt auf die Silicium Unterzelle aufgewachsen. So k\u00f6nnen kostenintensive Verarbeitungsschritte wie Wafer-Bonding-Verfahren vermieden werden. Entsprechende Entwicklungen f\u00fcr alternative Zellkonzepte werden am Fraunhofer ISE seit etwa 10 Jahren verfolgt. Hier wurden auch bereits einige der weltweit besten Ergebnisse zum direkten Wachstum von III-V Halbleitern auf Silicium ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

\u00dcber die Stromerzeugung hinaus k\u00f6nnen die zu entwickelnden Tandemsolarzellen f\u00fcr eine gr\u00fcne Wasserstoffherstellung<\/strong> genutzt werden. Nur Mehrfachsolarzellen, wie sie im Promotionsvorhaben erforscht werden, liefern eine Photospannung von >1,6V, welche die photoelektrochemische Wasserspaltung erm\u00f6glicht. Somit k\u00f6nnen sehr hohe Effizienzen f\u00fcr die solare Wasserstofferzeugung erreicht werden. Dies stellt ein Alleinstellungsmerkmal f\u00fcr das GaAsP\/Si Zellkonzept dar, da Alternativen wie auf Perowskit basierende Tandemzellen nicht stabil gegen\u00fcber Wasser sind.<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

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F\u00fcr das Ziel der Entwicklung einer hocheffizienten GaAsP\/Si Mehrfachsolarzelle im Direktwachstum m\u00fcssen die Herstellungsprozesse insbesondere in der metall-organischen Gasphasenepitaxie noch besser verstanden werden, denn heute f\u00fchren hohe Defektdichten in der Nukleationsschicht und Pufferschichten unterhalb der GaAsP Teilzelle noch zu Einbu\u00dfen in der Effizienz. Zus\u00e4tzlich soll durch detaillierte optoelektronische Simulation die Solarzellenstruktur optimiert und mit den experimentellen Zellergebnissen abgeglichen werden. Das Ziel ist, eine Solarzelleneffizienz von \u00fcber 30% zu erreichen, wobei die Struktur gleichzeitig f\u00fcr die solare Wasserstofferzeugung<\/strong> optimiert wird. Die Solarzelle wird dann von Kooperationspartnern f\u00fcr die solare Wasserstofferzeugung getestet.<\/p>\n

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