SiTaSol

SiTaSol   

Anwendungsrelevante Validierung von c-Si (crystalline silicon) basierten Tandemsolarzellenprozessen zur Erzielung eines Wirkungsgrades von 30%

 

Motivation und Projektziel

Solarzellen aus kristallinem Silizium dominieren heute den Photovoltaik-Markt aufgrund der hohen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des kristallinen Siliziums, niedriger Kosten und langjähriger Entwicklungserfahrung in der Siliziumtechnologie.

Jedoch, ohne neue Wege zur Verbesserung der Energieeffizienz gestaltet sich eine weitere Kostenreduktion als schwierig und die Siliziumtechnologie wird ihre Vormachtstellung nur schwer halten können. Gerade im Bereich der Umwandlungseffizienz stoßen Si-Solarzellen schon heute an ihre physikalischen Grenzen. Im Vergleich dazu haben III-V Mehrfachsolarzellen bereits gezeigt, dass die Stromerzeugung auf der gleichen Fläche beinahe verdoppelt werden kann. Im Projekt SiTaSol adressieren wir genau diese Herausforderung und arbeiten, durch die Kombination von III-V Halbleitern auf Silizium, an der Erhöhung der Energieeffizienz von Solarzellen auf 30%.

Eine derart aufgebaute Solarzelle erschließt durch ihre hohe Effizienz ein deutliches Einsparungspotential in Bezug auf ihren Ressourcenverbrauch und den ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu derzeit eingesetzten Produkten. Darüber hinaus ermöglicht die kombinierte III-V/Si 2-Terminal Solarzelle einen direkten Austausch der heute verwendeten Si-Module. Zur Erreichung der Wettbewerbsfähigkeit dieser neuen Technologie ist es allerdings nötig, die Kosten der neuen Solarmaterialien um einen Faktor 100 zu senken. Durch die Erforschung, Entwicklung und Evaluierung von entsprechend kostengünstigen, industriell einsetzbaren Herstellprozessen zielt das Projekt SiTaSol genau darauf ab und soll weiter demonstrieren, dass diese Solarzellen großflächig produzierbar sind. Dazu werden die III-V Schichten mit einer Dicke von nur wenigen Mikrometern entweder direkt auf das Silizium abgeschieden oder von einem III-V Substrat durch einen Ablöseprozess transferiert. In der ersten Hälfte des Projekts verfolgen wir beide Ansätze, um uns dann auf die vielversprechendere Variante zu konzentrieren. Ein weiterer Fokus liegt in der Entwicklung eines kostengünstigen Abscheideprozesses für die III-V Schichten, inklusive entsprechender Abgasaufbereitung und Recycling von Metallen, sowie Prozesse zum Ablösen und Übertragen der III-V-Epitaxieschicht auf die Silizium-Solarzelle.

III-V/Si Tandemsolarzellen werden entweder direkt auf das Si aufgewachsen oder über eine transparente leitfähige Schicht (TCO) auf Si geklebt.

Ziel

Ziel ist letztlich die Herstellung von Tandemsolarzellen im industriellen Umfeld mit einer Energieeffizienz von 30% zu demonstrieren und dabei die entwickelten, kostengünstigen Prozessrouten einzusetzen.

Zusätzlich zu den technologischen Entwicklungen findet eine Lebenszyklusanalyse statt, in welcher Stoff- und Energieströme ebenso betrachtet werden, wie Gefahren, welche von toxischen Ausgangsstoffen ausgehen. Die Entwicklung neuer Photovoltaiktechnologien soll sich von vornherein an hohen Umweltstandards orientieren.

Im Projekt arbeiten führende europäische Partner aus den Bereichen siliziumbasierter Photovoltaik und III-V Halbleiter zusammen. Abgesehen vom Fortschritt in der Photovoltaik unterstützt das Projekt SiTaSol damit die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie durch innovative Lösungen zur Senkung der Herstellungskosten von III-V-Werkstoffen, die in vielen Produkten wie Laptops, Sensoren und LEDs Anwendung finden.

Gedruckte Nanometalltintenelektroden werden auf das III-V Material aufgebracht und hinsichtlich ihrer Morphologie, elektrischer Leitfähigkeit und Zusammensetzung untersucht.

MATERIALS verfügt über mehrjährige, exzellente Erfahrung in der Erforschung und Entwicklung von neuartigen Photovoltaiktechnologien sowohl für Einzelzellen als auch auf Modulbasis. Im speziellen steuert MATERIALS im Projekt SiTaSol seine Expertise einerseits beim Einsatz von Laserprozessen andererseits beim Aufbringen von metallischen Rückkontakten bei. Die am Institut vorhandene Erfahrung ermöglicht dabei die Entwicklung industriell verwertbarer, kostengünstiger Prozesse zum großflächigen Ablösen von III-V Schichten und zur effizienten und ressourcenschonenden Kontaktierung der Solarzellen(module).

Angewandte Methoden und Prozesse
  • Nano- und Picosekunden-Laser- Strukturierung
  • PVD Prozesse
  • Inkjet-Prozessierung von Nanometalltinten
  • Materialentwicklung mit gut eingestellten und für die Anwendung angepassten Eigenschaften
  • Oberflächenmodifikation für die gewünschten Anwendungen
  • Prozessentwicklung
  • Oberflächen und Materialanalytik (XPS, UPS, Elektronen-Mikroskopie)
  • Elektrische Schicht- und Devicecharakterisierung
Fördergeber

SiTaSol ist ein im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms von der Europäischen Union unter dem Grant Agreement 727497 gefördertes Projekt.

H2020-LCE-2016-RES-CCS-RIA Project Id.: 727497