Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens:

„Entwicklung von ultra-dünnen Mehrfachsolarzellen mit höchsten Umwandlungseffizienzen“

Die höchsten Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom (bis zu 40,7 %) werden heute mit Mehrfachsolarzellen aus III-V Halbleitern erreicht. Dabei werden drei pn-Übergänge aus den gitterangepassten Materialien Ga0.5In0.5P,Ga0.99In0.01Asund Ge in einem epitaktischen Prozess übereinander gewachsen. Diese Dreifach-Solarzellen werden in Konzentratorsystemen eingesetzt, die in den vergangenen Jahren zunehmend zum Einsatz kommen und die in Zukunft das Potential haben die Kosten für photovoltaisch erzeugten Strom weiter zu senken.

Die Solarzellen werden dabei in einem epitaktischen Prozess auf 150-250 µm dicken Germanium-Substraten hergestellt. Germanium ist eines der seltensten Elemente auf der Erde und die Kosten haben einen hohen Anteil an den Gesamtkosten der Mehrfachsolarzelle. Daher ist die Suche nach neuen und billigeren Alternativen für das Germanium Substrat entscheidend, um diese Technologie in Zukunft weiter zu entwickeln und auszubauen.

Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll eine neue Solarzellen-Technologie entwickelt werden, die auf dem invertierten Wachstum einer Mehrfach-Solarzellenstruktur und dem anschließenden Ablösen der gewachsenen Schichten beruht. Das Konzept der invertierten metamorphischen Solarzellen beinhaltet das Wachstum einer „umgedrehten“ Mehrfach-Solarzellenstruktur auf GaAs mit einem anschließenden Transfer auf ein anderes Substrat (z.B. ein Deckglas). Abhängig von der für den Transfer genutzten Technologie kann das GaAs-Substrat für spätere Epitaxien wieder verwendet werden, was zu wesentlichen Kosteneinsparungen führt. Es sollen zunächst Ätz-Techniken verwendet werden um das Substrat zu entfernen, im Laufe der Arbeit sollen aber weitere Möglichkeiten gefunden und getestet werden, um das Substrat während der Technologie abzuheben. Die entstehende Solarzellenstruktur ist nur noch 5-10 µm dünn. Neben den reduzierten Kosten hat dies Vorteile bei der Anwendung in Konzentratorsystemen bei hohen Einstrahlungs-intensitäten, da die in der Solarzelle entstehende Wärme besser zur Bodenplatte des Moduls hin abgeführt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der invertiert-metamorphen Strukturen ist die hohe theoretische Effizienz, gekoppelt mit einer hohen Materialqualität aufgrund geringer Kristalldefekte. Bei derzeit am ISE hergestellten, ebenfalls gitterfehlangepassten, Dreifach-Solarzellen aus Ga0.35In0.65P/Ga0.99In0.01As/Ge werden sowohl die GaInP Oberzelle, als auch die GaInAs Mittelzelle mit einer anderen Gittekonstante als Ge gewachsen. Auf diese Weise wurden Wirkungsgrade bis 37,6 % erreicht. Hierzu wird eine spezielle Pufferschicht oberhalb des Ge Substrats eingefügt, in der die Gitterkonstate kontinuierlich verändert wird. Dabei ist es besonders schwierig, den Kristall innerhalb der Pufferschicht vollständig zu relaxieren und gleichzeitig die Ausbreitung von Versetzungen in die elektrisch aktiven Schichten am pn-Übergang zu verhindern. Es entstehen immer einige Versetzungen, welche die Qualität der danach folgenden Solarzellen beeinträchtigen. Bei der invertiert-metamorphen Struktur werden hingegen die ersten beiden Teilzellen aus GaInP und GaAs gitterangepasst und somit defektarm auf GaAs gewachsen und erst dann die Gitterkonstante zur dritten Teilzelle aus Ga1-xInxAs hin verändert. Es hat sich bereits bei ersten Arbeiten am National Renewable Energy Laboratory gezeigt, dass diese Struktur vorteilhaft ist und Unterzellen aus GaInAs mit einer Bandlückenenergie von bis zu 1,0 eV hergestellt werden können. Dieser Ansatz kombiniert die bereits gut untersuchten gitterangepassten Halbleiterstrukturen auf GaAs Substrat mit einer theoretisch noch günstigeren GaInAs Teilzelle mit 1,0 eV Bandlückenenergie. Zudem können die Kosten der Mehrfachsolarzellen deutlich gesenkt werden, wenn das GaAs Substrat wieder verwendet wird. Dieser vielversprechende Weg soll während der Promotion untersucht werden.