Patrick Schygulla, Albert-Ludwigs-Universität - Freiburg

Effizienzsteigerung monolithischer Zweikontakt-Tandemsolarzellen aus III-V-Halbleitern auf Silicium

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle oder Öl setzt Kohlenstoffdioxid in großen Mengen frei und der daraus resultierende Klimawandel bedroht unsere Existenz auf der Erde. Glücklicherweise gibt es heute dank erneuerbarer Energieformen ernsthafte Alternativen, die eine sichere und kostengünstige sowie nachhaltige Energieversorgung möglich machen. Die Photovoltaik erreicht mittlerweile selbst in Deutschland Stromgestehungskosten von wenigen Cent/kWh, was sie zu einer wichtigen Säule der Energiewende macht.

In meinem Promotionsvorhaben werde ich mich mit der Frage beschäftigen, wie man die photovoltaische Energiekonversion deutlich effizienter gestalten kann als bisher. Dazu gehe ich von einer Standard-Siliciumzelle aus und ergänze diese um sehr dünne Schichten aus III-V-Halbleitern. Diese III-V-Schichten nehmen weniger als 1 % der Dicke der Gesamtzelle ein, haben aber das Potential, die Solarzelleneffizienz von 26 % auf über 35 % zu erhöhen. Dies gelingt durch ein sogenanntes Tandemsolarzellkonzept, bei welchem verschiedene Materialien unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Eine höhere Effizienz der Solarzellen spart Ressourcen wie Substratmaterial, Glas, Rahmen etc. ein und verringert die benötigte Fläche für die Energiegewinnung. III-V-Mehrfachsolarzellen haben bereits Wirkungsgrade bis 38 % demonstriert, sind sehr langzeitstabil und werden als etablierter Standard in Weltraumsatelliten eingesetzt. Durch die Kombination mit Silicium lassen sich die Kosten signifikant senken und ihr Einsatz wird auch auf der Erde interessant. Ich will in meiner Promotion diese Technologie weiter entwickeln und zeigen, welch hohes Potential in ihr steckt. Die Arbeit fokussiert sich auf eine Kombination aus theoretischer Modellbildung zur Berechnung von Verlustmechanismen und der Materialentwicklung, um die III-V-Absorberschichten optimal an die Silicium-Unterzelle anzupassen. Ziel ist es, die Materialien und die Schichtstruktur der III-V//Si-Tandemsolarzelle so weit zu verbessern, dass ein Wirkungsgrad von über 35 % unter dem AM1.5-Sonnenspektrum demonstriert werden kann.