Hocheffiziente III-V Mehrfachsolarzellen auf Silizium<\/p>\n
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 m\u00f6glich ist.<\/p>\n
III-V Mehrfachsolarzellen erreichen dagegen deutlich h\u00f6here Wirkungsgrade von bis zu 46,0 % (Fraunhofer ISE). Dies wird durch Stapelung mehrerer Zellen mit unterschiedlichen Bandl\u00fccken 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 erh\u00f6hten Wirkungsgrad kompensiert werden k\u00f6nnen. Durch den Einsatz einer kleineren Zellfl\u00e4che (Faktor 100-1000) und optischer Konzentrationselemente ist dieses Konzept allerdings heute schon konkurrenzf\u00e4hig.<\/p>\n
Um die Kosten weiter zu senken und die Technologie attraktiv f\u00fcr nichtkonzentrierende Flachmodule zu machen, kann das teure Germanium- oder Galliumarsenid-Substrat durch g\u00fcnstiges, weit verbreitetes und nahezu unersch\u00f6pfliches Silizium ersetzt werden. Jedoch liegt der Unterschied in den Gitterkonstanten bei 4 %, wodurch ein einfaches Aufwachsen der III-V Schichten nicht m\u00f6glich 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 dar\u00fcber hinaus noch weitere Herausforderungen wie Antiphasendom\u00e4nen, die eine systematische Analyse und Entwicklung der Epitaxieprozesse n\u00f6tig machen.<\/p>\n
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 m\u00f6glichst defektfreies Material zu erhalten. Die Entwicklung der darauffolgenden Pufferstruktur ist ein zentrales Element dieses Forschungsvorhabens, da die Qualit\u00e4t dieser Struktur die Zellleistung der dar\u00fcber gewachsenen Teilzellen diktiert. Diese Struktur ist essentiell, da sie den \u00dcbergang von einer Gitterkonstante zu einer anderen m\u00f6glich macht. Werden jedoch die entstehenden Versetzungen nicht ausschlie\u00dflich im Puffer lokalisiert, sondern dringen in die oberen Teilzellen vor, so sinkt die Diffusionsl\u00e4nge der Minorit\u00e4ten 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 \u00fcber 30 % zu steigern.
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