Höchsteffiziente III-V Tandemsolarzellen auf Silicium im Direktwachstum mit Wirkungsgraden über 30 % für die Solare Erzeugung von Strom und Wasserstoff

Stipendiatin/Stipendiat: Jonas Grutke

Die umweltverträgliche Produktion von Elektrizität und Wasserstoff ist eine zentrale Herausforderung für 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 große Anstrengungen dies zu verbessern, da höhere Wirkungsgrade den Flächen- und Materialverbrauch verringern.

Um die Sicherstellung der Energieversorgung in den Sektoren Wärme, Transport und Industrie zu gewährleisten wird zusätzlich jedoch noch ein Energieträger wie z.B. Wasserstoff benötigt. Auch hier ist eine hohe Effizienz in der Wasserstoffproduktion entscheidend, um den Material- und Flächenbedarf zu minimieren.

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 für die Anwendung auf der Erde zu teuer. Im Rahmen meiner Dissertation möchte ich mich auf Entwicklungen in der Photovoltaik konzentrieren, welche das Potential haben, die Energiewende entscheidend voranzubringen.

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.

Die Entwicklung von GaAsP/Si Tandemsolarzellen bietet gleich mehrere Vorteile gegenüber alternativen Ansätzen: Die Materialkosten werden durch den Verzicht auf Indium erheblich gesenkt, gleichzeitig resultiert das Design der GaAsP/Si Tandemsolarzelle durch eine dünnere Schichtdicke im Vergleich zu komplexeren Mehrfachsolarzellen in einem weiteren Materialersparnis. Zusätzlich ist mit diesem Ansatz eine schnelle und kostengünstige Herstellung der Struktur möglich, wie es für die industrielle Skalierbarkeit notwendig ist, da dieses Materialsystem den Einsatz von Hochdurchsatzprozessen erlaubt.

In dieser Arbeit wird die GaAsP Solarzellenstruktur direkt auf die Silicium Unterzelle aufgewachsen. So können kostenintensive Verarbeitungsschritte wie Wafer-Bonding-Verfahren vermieden werden. Entsprechende Entwicklungen für 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 veröffentlicht.

Über die Stromerzeugung hinaus können die zu entwickelnden Tandemsolarzellen für eine grüne Wasserstoffherstellung genutzt werden. Nur Mehrfachsolarzellen, wie sie im Promotionsvorhaben erforscht werden, liefern eine Photospannung von >1,6V, welche die photoelektrochemische Wasserspaltung ermöglicht. Somit können sehr hohe Effizienzen für die solare Wasserstofferzeugung erreicht werden. Dies stellt ein Alleinstellungsmerkmal für das GaAsP/Si Zellkonzept dar, da Alternativen wie auf Perowskit basierende Tandemzellen nicht stabil gegenüber Wasser sind.

Für das Ziel der Entwicklung einer hocheffizienten GaAsP/Si Mehrfachsolarzelle im Direktwachstum müssen die Herstellungsprozesse insbesondere in der metall-organischen Gasphasenepitaxie noch besser verstanden werden, denn heute führen hohe Defektdichten in der Nukleationsschicht und Pufferschichten unterhalb der GaAsP Teilzelle noch zu Einbußen in der Effizienz. Zusätzlich soll durch detaillierte optoelektronische Simulation die Solarzellenstruktur optimiert und mit den experimentellen Zellergebnissen abgeglichen werden. Das Ziel ist, eine Solarzelleneffizienz von über 30% zu erreichen, wobei die Struktur gleichzeitig für die solare Wasserstofferzeugung optimiert wird. Die Solarzelle wird dann von Kooperationspartnern für die solare Wasserstofferzeugung getestet.

 

Förderzeitraum:
01.07.2022 - 30.06.2025

Institut:
Technische Universität Ilmenau

Betreuer:
Prof. Dr. Thomas Hannappel

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