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Germaniumsubstrat: Eine vielversprechende Grundlage für Mehrfachsolarzellen

Germanium war lange Zeit ein beliebtes Material für integrierte Schaltkreise. Welches großes Potenzial es fernab elektronischer Bauelemente als Substrat für die Entwicklung der nächsten Generation von Mehrfachsolarzellen birgt, zeigt ein EU-finanziertes Projekt.

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Die Welt wendet sich den erneuerbaren Energien wie etwa der Solarenergie zu, weil die Treibhausgasemissionen reduziert und die drohende Energiekrise verhindert werden müssen. Doch hocheffiziente Solarzellen zu entwickeln, die bei geringen Kosten eine relevante Menge des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln können, bleibt eine Herkulesaufgabe. Konzentrator-Photovoltaik, die Sonnenenergie mit Hilfe optischer Systeme auf hocheffiziente Mehrfachsolarzellen fokussiert, kann die Erzeugung von Solarstrom immens voranbringen. Damit sich mit dieser Technologie ein hoher theoretischer Wirkungsgrad erzielen lässt, braucht man Teil-Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken, die verschiedene Teile des Sonnenspektrums absorbieren. Hochleistungsspiegel oder -linsen können über 500-mal mehr Sonnenlicht auf diese winzigen Zellen fokussieren als herkömmliche flache Photovoltaikmodule. Allerdings müssen die Kosten für diese Technologie noch gesenkt werden. Perfekte Anpassung der Kristalle Um Konzentrator-Photovoltaiksysteme im Vergleich zu anderen Arten der Energieerzeugung wettbewerbsfähiger werden zu lassen, eignet sich die Kombination zweier Technologien. Dazu wird ein kostengünstiger Wafer als Basis für Module aus mehreren hocheffizienten Mehrfachzellen mit verschiedenen Verbindungshalbleiterschichten verwendet. „Wenn man Materialien mit bestimmten Bandlückenenergien kombiniert, müssen die Atomabstände der benachbarten Schichten auf jeden Fall aufeinander abgestimmt werden“, so Dr. Gerald Siefer, Projektkoordinator in dem EU-finanzierten Projekt CPVMatch. Wie er erklärt, kann man verschiedene Methoden einsetzen, um die Gitterfehlanpassung zu korrigieren, zum Beispiel metamorphes Wachstum und Waferbonden. Der Einsatz von Materialien mit den gleichen Gitterparametern ist allerdings gegenüber der Weiterentwicklung von Mehrfachsolarzellen zu einem höheren Wirkungsgrad mit niedrigeren Kosten vorzuziehen. Dem Projektforscherteam gelang es, einen Machbarkeitsnachweis erbringen, indem es einen Germanium-Wafer mit einer gitterangepassten Struktur aus Silizium, Germanium und Zinn (SiGeSn) ergänzte und so einen Übergangsbereich von 1 eV erreichte. Werden schließlich noch III-V-Halbleitermaterialien hinzugefügt, können Übergänge zwischen den oberen Schichten geschaffen werden, die durch den besonderen Aufbau sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. „Hier wurde erstmalig ein qualitativ hochwertiges IV-Halbleiterelement – SiGeSn – epitaxial auf einem Germaniumsubstrat auf demselben Wachstumsreaktor wie III-IV-Halbleiterelemente gezüchtet“, so Siefer weiter. Günstiger als das Gegenstück Bei Photovoltaikzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad werden zum Teil Substrate auf Indiumphosphidbasis (InP) verwendet, um Sonnenstrahlung effizient in elektrische Energie umzuwandeln. „Der weltweit höchste erzielte Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen mit einem InP-Substrat liegt bei 46 %. Aber dieses Material ist deutlich teurer als Germanium“, so Siefer. Die neue Vierfachsolarzelle mit Germaniumsubstrat von CPVMatch hat einen Wirkungsgrad von 42,6 % erreicht. Im Projekt wurden erfolgreich weitere technische Bausteine entwickelt und demonstriert, die in Kombination den Wirkungsrad der Zellen auf 46 % erhöhen werden. Nachteile von Standardlinsen ausgleichen In den meisten Konzentrator-Photovoltaikmodulen sind Linsen aus Silizium auf Glas (silicone-on-glass, SoG) verbaut. Diese Linsen sind zwar günstig, aber sie zeigen chromatische Aberration und ihre Leistung ist sehr stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Die Forschergruppe experimentierte also mit achromatischen Linsen, um die Verzerrungseffekte zu verringern. Obwohl sie ein Modul mit sehr hoher Leistungsfähigkeit ergeben könnten, sind sie eben teuer. Um die Beschränkungen von SoG-Linsen zu umgehen und die Kosten zu minimieren, konzentrierte sich das Forscherteam auf einen günstigen Herstellungsprozess achromatischer Linsen sowie intelligenter, hochkompakter spiegelbasierter Konzentrator-Photovoltaikmodule. Beide bieten im Vergleich zu Standardlinsen viele Vorteile: es entstehen keine Probleme mit chromatischer Verzerrung, dafür ein höherer Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung. CPVMatch hat Konzepte vorgestellt, die die Kosten für Solarzellen senken und den Wirkungsgrad steigern, damit Konzentrator-Photovoltaiksysteme in Zukunft wettbewerbsfähiger werden. „Hochkonzentrierende Photovoltaiksysteme können Wirkungsgrade erreichen, die für flachen Photovoltaikmodule unmöglich bleiben. Ihre nachweislich geringere CO2-Bilanz – zwischen 16 und 18 Kilogramm CO2 pro erzeugter Kilowattstunde Strom – ist außerdem von immenser Bedeutung für die Dekarbonisierung der Energiewirtschaft“, fügt Siefer hinzu.

Schlüsselbegriffe

CPVMatch, Konzentrator-Photovoltaik, Mehrfachsolarzellen, Germaniumsubstrat, Silizium-Germanium-Zinn (SiGeSn), gitterangepasst, IV-Halbleiter, III-V-Halbleiter, achromatische Linsen, Spiegel, Optik

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