Die nachhaltige Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Nutzung regenerativer Energiequellen gegenüber der konventionellen Energiegewinnung konkurrenzfähig zu machen, müssen deren Kosten gesenkt werden, was sowohl durch eine Steigerung der Systemwirkungsgrade als auch durch die Senkung der Herstellungskosten selbst realisiert werden kann.
Eine vielversprechende Möglichkeit die beiden Ansätze zu vereinen stellt die Co-Generation von Strom und Wärme unter konzentriertem Sonnenlicht dar (sog. CPVT-Systeme). Bei diesem Ansatz wird teures Zellmaterial eingespart, indem das Sonnenlicht zuerst mit einer vergleichsweise günstigen Optik auf eine kleine Solarzelle fokussiert wird. Das von den Zellen nicht in elektrische Energie umgewandelte Sonnenlicht erzeugt dabei nutzbare Wärme. Diese kann über einen Wärmetauscher an der Rückseite der Solarzelle abgeführt und für weitere Anwendungen genutzt werden. Je nach Effizienz und Art der Wärmenutzung lassen sich auf diese Weise Gesamt-Systemwirkungsgrade von über 70 % erzielen – davon ca. 1/3 elektrische und 2/3 thermische Leistung.
Ein entscheidendes Element der CPVT-Systeme stellen dabei die Photovoltaik-Zellen auf der Oberfläche des Wärmetauschers dar. Am Fraunhofer ISE wurde hierzu bereits das Konzept der sogenannten monolithisch integrierten Module (MIMs) untersucht, das sich besonders für CPVT-Systeme eignen würde. MIMs bestehen aus vielen kleinen, direkt auf dem Chip miteinander in Serie geschalteten Zellstreifen. Somit werden unter dem stark konzentrierten Sonnenlicht hohe Spannungen anstatt hoher Ströme erzielt, was den Leistungsverlust an Serienwiderständen reduziert. Weiterhin benötigt die kompakte Verschaltung direkt auf dem Chip verhältnismäßig wenig Anteil an der beleuchteten Fläche, so dass diese besonders effektiv genutzt wird.
Am Fraunhofer ISE konnten bisher MIMs mit Wirkungsgraden von bis zu 26 % bei einer 500-fachen Sonnenkonzentration realisiert werden. Ziel meines Promotionsvorhabens ist es, neuartige Zellkonzepte auf Basis der MIM-Strukturen zu entwickeln und damit ihre Effizienz auf 30 % bei Konzentrationsfaktoren über 1000 zu steigern. Dabei werde ich insbesondere die Eignung der Materialkombination AlGaAs/GaAs evaluieren. Dieses enthält im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Kombinationen GaInP/GaAs und GaInP/GaInAs kein Indium, welches ein seltenes und damit auch teures Element ist. Der Verzicht auf Indium senkt somit die Produktionskosten und gestaltet die Herstellung nachhaltiger.
Darüber hinaus ist die Bandlücke von AlGaAs abhängig vom Al-Anteil, während die Gitterkonstante annähernd identisch zu der von GaAs bleibt. Hierdurch eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die Gestaltung der Zellstrukturen. So können die Ströme in den Teilzellen genauer aufeinander abgestimmt werden. Auch mehr als zwei pn-Übergänge werden möglich und durch eine Variation von Al-Anteil und Dotierung lassen sich gezielt elektrische Felder im Material induzieren, welche die Diffusionslänge der Ladungsträger beeinflussen.
Nach einer Optimierungsphase für das Wachstum von AlGaAs und Bestimmung der Materialparameter werden diese neuen Zellkonzepte modelliert, hergestellt und analysiert.