Zum Vergleich: Konventionelle Siliziumsolarzellen erreichen etwa 25 % Wirkungsgrad. Hierzu wurde das Sonnenlicht 454-fach auf eine 5 mm2 kleine, sogenannte Mehrfachsolarzelle aus den III-V-Halbleitern Gallium-Indium-Phosphid/Gallium-Indium-Arsenid/Germanium (GaInP/GaInAs/Ge) konzentriert. Der Erfolg ist das Ergebnis jahrelanger Forschungsarbeit am Fraunhofer ISE. In jüngster Zeit haben die vier DBU- Stipendiaten Wolfgang Guter, Simon Philipps, Jan Schöne und Elke Welser intensiv an der Weiterentwicklung der hochkomplexen Struktur der Mehrfachsolarzelle gearbeitet und damit maßgeblich zur Erreichung des Weltrekords beigetragen.
Der Weltrekord wurde mit einer sogenannten metamorphen Tripelsolarzelle erzielt, einer speziellen Art der Solarzellen aus III-V-Halbleiterkombinationen. Es handelt sich dabei um Zellen aus GaInP und GaInAs auf Germanium-Substraten. Die DBU-Stipendiaten Elke Welser und Wolfgang Guter befassen sich in ihrer Dissertation mit der Herstellung solcher Halbleiterschichtsysteme mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Während Elke Welser sich mit Fünf- und Sechsfachsolarzellen beschäftigt, hatte die Arbeit von Wolfgang Guter speziell die Entwicklung verschiedener Arten von Tripelsolarzellen zum Ziel.
Die für die Rekordzelle verwendete Kombination von Halbleitermaterialien ist optimal für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom geeignet. Diese Materialien lassen sich aber nur mit Hilfe eines Tricks – des sogenannten metamorphen Wachstums – miteinander kombinieren. Denn der Abstand der Atome im Kristallgitter der verschiedenen Halbleiter ist im Gegensatz zu herkömmlichen Mehrfachsolarzellen nicht identisch. Die unterschiedlichen
Gitterkonstanten erschweren das Wachstum von III-V-Halbleiterschichten mit hoher Kristallqualität, da an den Übergängen zwischen den Materialien Spannungen entstehen, die zur Ausbildung von Versetzungen und anderen Kristalldefekten führt. Den Forschern am Fraunhofer ISE ist es jetzt gelungen, eine Kontrolle von Kristalldefekten während des Wachstums von Halbleitermaterialien zu erreichen, so dass die elektrisch aktiven Bereiche weitgehend defektfrei gehalten werden können – eine Voraussetzung für das Erreichen höchstmöglicher Wirkungsgrade.
Eine entscheidende Grundlage für die Entwicklung dieser Methodik ist ein umfassendes Verständnis der Bildung und Kontrolle von Defekten in Solarzellen. DBU-Stipendiat Jan Schöne hat sich mit diesem Thema intensiv beschäftigt und konnte wesentlich zur Lokalisierung der Defekte beitragen.
Aufgrund der Komplexität der Zellstrukturen und der vielfältigen Abhängigkeiten zwischen den verschieden Schichten ist eine Unterstützung der experimentellen Arbeiten durch numerische Modellierung und Simulation sehr wichtig. Mit dieser Thematik beschäftigt sich der DBU-Stipendiat Simon Philipps. So arbeiten die vier von der DBU geförderten Doktoranden auf verschiedenen Gebieten gemeinsam an der Weiterentwicklung von Mehrfachsolarzellen.
