Entwicklung von GaInP/GaAs/Si-Mehrfachsolarzellen mittels Wafer-Bonding

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Stephanie Essig

Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern erreichen heute die höchsten Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Da die Halbleiterstrukturen in der Herstellung sehr viel teurer als Silicium-Solarzellen sind, werden sie für terrestrische Anwendungen nur in Konzentratorsystemen verwendet. Dabei werden Fresnellinsen genutzt, um das Sonnenlicht mit bis zu 1000-facher Konzentration auf einen wenige Quadratmillimeter großen Solarzellenchip zu fokussieren. Die so erzielte Materialeinsparung verringert die Kosten des photovoltaischen Systems und gleichzeitig erhöht sich unter konzentriertem Licht der Wirkungsgrad der Solarzelle. Auf diese Weise werden Systemwirkungsgrade von bis zu 25% DC in größeren Kraftwerkseinheiten erzielt. Das ist etwa doppelt so viel wie Vergleichswerte typischer Si-Systeme. Da die Herstellungskosten von Siliciumsolarzellen vergleichsweise gering sind, sind derzeit 90% aller Solarzellen aus kristallinem Silicium. Um die Kosten der hocheffizienten Ga0.5In0.5P/GaInAs/Ge - Solarzellen zu reduzieren wird in dieser Dissertation ein neuer Ansatz verfolgt: Die Germanium-Unterzelle wird durch eine Siliciumzelle ersetzt und mittels Wafer-Bonding, einem Verfahren das in der Mikroelektronik bereits Anwendung findet, mit einer Ga0.51In0.49P/GaAs-Tandemzelle verbunden. Silicium bietet im Vergleich zu Germanium zahlreiche Vorteile. Neben den um einen Faktor 8 geringeren Kosten sind die exzellente Verfügbarkeit von Si, die großen Substratdurchmesser bis 300 mm, die gute thermische Leitfähigkeit, sowie die hohe Bruchfestigkeit zu nennen. Silicium hat zudem eine fast optimale Energiebandlücke um höchste Wirkungsgrade in einer Dreifachsolarzelle zu erzielen. In Simulationen wurde für diese Dreifachzelle bei 500-facher Sonnenkonzentration ein Wirkungsgrad von 55,6% vorhergesagt.Ziel dieser Arbeit ist es erstmals eine monolithische Dreifachsolarzelle auf Silicium mit einem Zielwirkungsgrad von über 40 % mittels Wafer-Bonding zu realisieren.

Förderzeitraum:
01.12.2010 - 30.11.2013

Institut:
Universität Konstanz
Fachbereich Physik

Betreuer:

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