Neuer Siliziumerbe für hocheffiziente Solarzellen
Mehrfachsolarzellen - auch Tandem-Zellen genannt - gehören zu den am weitesten erforschten Wegen zu einer höheren Effizienz von Solarzellen. Ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt entwickelt, verwenden Mehrfachsolarzelle drei verschiedene Materialien in einer einzigen Zelle, wodurch sie wesentlich mehr Energie aus Sonnenlicht extrahieren. Im Ergebnis können sie auffällige Energieumwandlungswirkungsgrade erreichen. Die invertierte metamorphe Mehrfachtechnologie ist ein weiterer Durchbruch für die Leistung und Kostenreduktion dieser Solarzellen. Im Projekt SOLAR FUEL BY III-VS (Direct photoelectrochemical generation of solar fuels using dilute nitride III-V compound semiconductor heterostructures on silicon: Epitaxy, electrochemistry, and interface characterization) haben Wissenschaftler einen disruptiven Ansatz angenommen, der zu erheblichen Fortschritten bei der Umwandlungseffizienz von Solarenergie zu Wasserstoff führen kann. In einem Versuch, die Wasserspaltungseffizienz zu erhöhen, untersuchten die Teammitglieder die Abscheidung einer neuen Klasse von Halbleiterlegierungen - verdünntes Nitrid-III-V - auf Silizium. Dann bewiesen sie, dass die Verwendung von Stickstoffionen und Sputtern eines Metallkatalysators (GaInP) zu einer verlängerten Lebensdauer der Vorrichtung führen kann. Detaillierte Modellierungsarbeiten deckten die Rolle auf, die parasitäre Absorption bei der Begrenzung der Zellwirkungsgrade und der Bestimmung der optimalen Energielücke spielen. Darüber hinaus deckten die Wissenschaftler eine Beziehung zwischen der Elektrolytschichtdicke und Spannungsverlusten auf, die die Solar-Wasserstoff-Effizienz begrenzt. Die Analyse der Arbeit wies auf die Entdeckung der spektralen Fehlpaarungen zwischen typischen Laborlichtquellen und Sonneneinstrahlung hin, die zu ungenauen Schätzungen der Umwandlungseffizienz führen. Nachdem die Wissenschaftler diese theoretische Arbeit durchgeführt haben, zeigten sie, dass GaInP/GaAs-Tandem-Designs einen Wirkungsgrad von 10% erreichen können, was fast Weltrekord ist. Das invertierte Design mit einem goldenen Reflektor verbessert die Leistung der unteren Zelle um etwa 2%. Das Ausdünnen der oberen Zelle, um eine bessere Lichtverteilung zu erreichen, soll zu einer weiteren Leistungssteigerung von 2% führen. Allerdings argumentiert das Team, dass eine leichte Abnahme im oberen Absorber und bei den Bandlücken der unteren Zelle zu noch höheren Effizienzsteigerungen führen wird. SOLAR FUEL BY III-VS ist wichtige Themen auf dem Gebiet der Solarkraftstofferzeugung angegangen. Es legte die Grundlage, um die Entwicklung von Solarenergieträgern zu beschleunigen und neue Wege in der Entwicklung hin zu einer nachhaltigen Energie zu beschreiten. Die Projektergebnisse wurden durch zahlreiche Publikationen verbreitet.
Schlüsselbegriffe
Silizium, Solarzellen, Photovoltaik, Verbindung-Halbleiter, Multi-Junction-Zellen, verdünntes Nitrid-III-V
