Zonnecel met > 30% rendement

Onderzoekers aan het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) en de EV Group hebben een meervoudige zonnecel geproduceerd die de theoretische rendementsgrens van zuivere siliciumcellen overschrijdt.

Om dit te realiseren, brachten de onderzoekers een slechts enkele micrometer dunne II-V halfgeleiderlaag op het silicium aan. De verbinding gebeurde met een uit de micro-elektronica bekende methode, direct wafer bonding. Hierbij worden oppervlakken na een plasma-activering in vacuüm onder (mechanische) druk met elkaar verbonden. Er ontstaan een eenheid waarbij atomen van het III-V oppervlak bindingen aangaan met het silicium.

Aan de zonnecel is de complexe inwendige structuur niet zichtbaar; de cel heeft net als conventionele siliciumcellen een eenvoudig contact aan voor- en achterzijde en kan ook in PV-modules worden geïntegreerd.

De onderzoekers willen de theoretische grenzen van silicium zonnecellen overschrijden. De jarenlange ervaring met silicium en III-V meervoudige zonnecellen heeft hen geholpen dit nu te realiseren. De III-V/Si meervoudige zonnecellen met een oppervlak van 4 cm2 werden in het kalibratielaboratorium van Fraunhofer-ISE gemeten en leverden een rendement van 30,2 % op voor het omzetten van het invallende licht in elektrische energie. Het tot nu toe hoogste rendement van een zuivere silicium zonnecel ligt op 26,3 %, de voor silicium theoretisch berekende grens is 29,4 %.

Opbouw van de zonnecellen

De III-V/Si meervoudige zonnecel bestaat uit op elkaar gestapelde deelcellen uit galliumindiumfosfide (GaInP), galliumarsenide (GaAs) en silicium (Si), die intern door zogeheten tunneldiodes aan elkaar zijn geschakeld. De bovenste cel uit GaInP absorbeert stralling tussen 300 nm en 670 nm, de GaAs-cel tussen 500 nm en 890 nm en de Si-cel tussen 650 nm en 1180 nm.

De III-V lagen worden vervolgens epitaxiaal afgezet op een GaAs substraat en daarna op een speciaal aangepaste siliciumzonnecelstructuur gebonden. Aansluitend wordt het GaAs substraat verwijderd en wordt de cel voor voor- en achtercontact en van een antireflexcoating voorzien.

Een sleutel voor het succes was een procesketen te ontwikkelen die zowel voldoende gladde en deeltjesvrije siliciumoppervlakken opleverde als rekening houdt met de verschillende behoeften van silicium en III-V halfgeleiders. Het proces is gebaseerd op de jarenlange ervaring met de ontwikkeling van efficiënte siliciumzonnecellen.

Toekomst

Met het resultaat zetten de onderzoekers een stap naar toekomstige verdere rendementsverbeteringen op het beproefde silicium. De III-V/Si meervoudige zonnecel toont de mogelijkheden van de ComBond Clusters van de EV Group om verschillende halfgeleiders zonder weerstand en zonder lijm met elkaar te verbinden.

Om productie van III-V/Si meervoudige zonnecellen op industriële schaal te realiseren, moeten de kosten van de III-V epitaxie en de verbindingstechnologie met silicium worden verlaagd. De doelstelling is om in de toekomst efficiënte solarmodules met een rendement van meer dan 30% mogelijk te maken. (foto: Fraunhofer ISE/A. Wekkeli)