Solarzellenwafers mit Vierfach-Konzentratorsolarzellen und Teststrukturen.
Fraunhofer ISE
Die Vierfach-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad bis zu 50 Prozent soll künftig die Dreifach-Solarzelle ablösen. An einem entsprechenden Projekt arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, ISE, mit einem französischen Unternehmen. Mehrfach-Solarzellen finden ihren Einsatz in Konzentratorphotovoltaik-Kraftwerken.
Mehrfach-Solarzellen, auch Multijunction-Zellen genannt, bestehen aus übereinanderliegenden Halbleiterschichten, in denen mehrere p-n-Übergänge mit unterschiedlichem Bandabstand realisiert sind. "Multijunction-Zellen werden aufgrund ihres Aufbaus auch als Stapelsolarzellen bezeichnet. Für Zellen mit zwei bzw. drei p-n-Übergängen haben sich auch die Begriffe Tandem- bzw. Tripelsolarzelle eingebürgert", erklären die Autoren Viktor Wesselak, Sebastian Voswinckel im Kapitel "Technologie und Trends von Solarzellen".
Die Dreifach-Solarzelle besteht aus Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems. Bei der Vierfach-Solarzellen werden zunächst zwei Tandemsolarzellen separat auf unterschiedlichen III-V Substraten abgeschieden und anschließend durch das so genannte Wafer-Bond-Verfahren so fest miteinander verbunden, dass die Grenzfläche den Stromfluss durch die Vierfach-Solarzelle erlaubt.
Unter Waferbonden versteht man eine Methode, bei der Halbleiterkristalle mit unterschiedlicher Gitterkonstante so verpresst werden, dass sich an der Grenzfläche atomare Bindungen ausbilden. Das Verfahren wird üblicherweise in der Mikrosystemtechnik eingesetzt. Die beteiligten Firmen haben das Waferbonden so weiterentwickelt, dass die spezifischen Anforderungen der Solarzellenanwendung erfüllt werden. Hierbei sind neben einer hohen Stabilität insbesondere optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit von hoher Bedeutung. Mit herkömmlichen Verfahren erreicht man diese Qualität nicht, da Kristalle kombiniert werden, die eigentlich nicht zueinander passen. Das Verfahren im Detail erläutert der Autor Josef Lutz im Kapitel "Leistungselektronische Systeme".
Mehr als 30 Halbleiterschichten mussten am Fraunhofer ISE für die neue Vierfach-Solarzelle verfahrenstechnisch optimiert werden. Das Ergebnis dieser deutsch-französischen Zusammenarbeit ist eine Vierfach-Solarzelle, die einen herausragenden Wirkungsgrad von 43,6 Prozent bei 319-facher Konzentration des Sonnenlichts erreicht. Bei einem Konzentrationsfaktor zwischen 250 und 500 Sonnen liegt der Wert durchgehend über 43 Prozent. Erstmals wurde ein derartig hoher Wirkungsgrad mit einer Solarzelle aus vier in Serie verschalteten pn-Übergängen nachgewiesen. Die weitere Entwicklung der neuen Vierfach-Solarzellen verspricht in Zukunft noch höhere Wirkungsgrade bis 50 Prozent.
Aufgrund der aufwändigen Produktionsprozesse werden Multijunction-Zellen derzeit nur in kleinen Stückzahlen produziert und beispielsweise in der Raumfahrt eingesetzt. Eine Ausnahme stellt die Technologie einer siliziumbasierten Tandemsolarzelle dar, die Eingang in die industrielle Produktion gefunden hat. Die Technologie wird weltweit in Solarkraftwerken an Standorten mit besonders hoher Sonneneinstrahlung eingesetzt. Die konzentrierende Photovoltaik erreicht immer höhere Wirkungsgrade und senkt damit flächenproportionale Kosten. Die Kommerzialisierung der neuen hocheffizienten Solarzellen ist auf dem Weg.