Entwicklung hocheffizienter III-V Solarzellen mit mehr als drei pn-Übergängen

Stipendiatin/Stipendiat: Elke Stämmler

Motivation:Die heutzutage erreichten Wirkungsgrade einer Galliumarsenid- und Silizium-Einfachzelle liegen bei 25.7 % bzw. 24.7 % und bieten nur wenig Verbesserungspotential. Um zu höheren Wirkungsgraden zu gelangen, muss das Konzept einer Einfachzelle modifiziert werden: Thermophotovoltaik, Auf- und Abkonvertierung oder Mehrfachsolarzellen sind solche weiterführende Konzepte. Die Mehrfachsolarzelle besteht aus aufeinander gestapelten Einfachsolarzellen verschiedener Bandlücken. Damit kann das Sonnenspektrum besser ausgenützt und die Verlustmechanismen verringert werden. Mehrfachsolarzellen mit unendlich vielen Teilzellen haben einen theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von 85 %. Auf der Erde ist der höhere Wirkungsgrad einer III-V-Mehrfachzelle im Vergleich zu einer Einfachzelle aber zu gering und die Kosten zu hoch, um direkt in Konkurrenz zu einer Siliziumzelle zu treten. Deshalb werden die Mehrfachzellen in sogenannte Konzentratorsysteme eingebaut: Dadurch kann die benötigte Zellfläche verkleinert werden, indem das Licht durch kostengünstige Linsen gesammelt und auf eine Zelle mit nur wenigen Quadratmillimetern Fläche fokussiert wird. Zielsetzung:Für das Erreichen des maximalen Wirkungsgrades ist ab der Dreifachzelle ein Material mit einer Bandlücke von 1 eV nötig. Dies kann durch GaInNAs mit einem Stickstoff-Anteil von ungefähr 3 % realisiert werden. In diesem Promotionsvorhaben sollen unter anderem geeignete Wachstums- und Ausheilungsbedingungen gefunden werden, um das Halbleitermaterial GaInNAs in der für einen Einbau als Solarzellenschicht benötigten Qualität herzustellen. Die einzelnen Zellen in der Mehrfachzelle werden mittels Tunneldioden seriell verschaltet. In dieser Arbeit sollen Tunneldioden als Interzellkontakte hergestellt werden, die auch bei einer hohen Konzentration einen hohen Tunnelstrom aufweisen. Die Herstellung der Zellstruktur bzw. der einzelnen Halbleiterschichten ist die Basis aller weiteren Untersuchungen und Entwicklungen der Mehrfachsolarzellen. Am Fraunhofer ISE werden die III-V-Halbleiterschichten mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf Germanium- oder Galliumarsenid-Substraten gewachsen. Dazu steht am Fraunhofer ISE ein Planetenreaktor AIX 2600-G3 der Firma Aixtron zur Verfügung. Die elektrische Charakterisierung der Schichten und Solarzellen wird mittels Hall-van-der-Pauw Messungen, Elektrochemische Kapazitäts-Spannungs-Messungen sowie Kennlinienmessungen durchgeführt. Eine strukturelle Untersuchung soll mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, in Zusammenarbeit mit Herrn Jan Schöne), Rasterkraftmikroskop (AFM) und Röntgenbeugung erfolgen. Ziel ist eine Fünffachsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 35 % unter Konzentration.

Förderzeitraum:
01.08.2007 - 31.07.2010

Institut:
Universität Konstanz
Fachbereich Physik

Betreuer:
Prof. Dr. Gerhard Willeke

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: http://www.III-V.de

Entwicklung hocheffizienter III-V Solarzellen mit mehr als drei pn-Übergängen
Entwicklung hocheffizienter III-V Solarzellen mit mehr als drei pn-Übergängen