Ressourceneffiziente Epitaxieprozesse für hocheffiziente III-V-Tandemsolarzellen

Ein wesentliches Hindernis für die breitere kommerzielle Nutzung von III-V-Solarzellen, die durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellt werden, sind die Kosten, die teilweise durch zeitintensive Prozesse verursacht werden. Um kostengünstigen Wasserstoff direkt aus Sonneneinstrahlung zu erzeugen, besteht ein Hauptziel meiner Promotion darin, schnellere und billigere Verfahren zur Herstellung von Mehrfachsolarzellen zu entwickeln. Dazu gehören nicht nur deutlich höhere Wachstumsraten, sondern auch eine effizientere Nutzung von Vorläufermaterialien. In früheren Arbeiten am Fraunhofer ISE wurde bereits erstmals gezeigt, dass die Wachstumsrate von GaAs von 4 μm/h auf 280 μm/h gesteigert werden konnte. Dabei müssen mehrere Herausforderungen gemeistert werden, denn im Allgemeinen leidet die Materialqualität aufgrund der verstärkten nicht-strahlenden Rekombination. Die Analyse der Defekte, die bei hohen Wachstumsraten auftreten, und das Verständnis, wie sie entstehen, ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung und wird in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau durchgeführt. So sollen die Bedingungen entwickelt werden, unter denen Kristalle von hoher Qualität schnell gezüchtet werden können.

Im nächsten Schritt meiner Doktorarbeit werden die gewonnenen Erkenntnisse und die optimierten Prozesse an ein neues MOVPE-System angepasst. Dieses System wird aus einem Reaktor bestehen, der speziell für einen hohen Durchsatz ausgelegt ist. Es wird das erste seiner Art sein, zum Beispiel durch ultraschnelles Aufheizen und Kühlen sowie durch quadratische Wafer für eine höhere Effizienz der Vorstufen. Dadurch verkürzt sich das vollständige epitaktische Wachstum einer Solarzelle von Stunden auf wenige Minuten. Eine weitere Innovation ist die Einbindung von Plasma in die Reaktionskammer. So kann Plasma zum Beispiel zur Desoxidation der Probenoberflächen und zur schnellen und effizienten Reinigung der Reaktionskammer eingesetzt werden. Die Studie wird sich auch auf völlig neue Möglichkeiten der Plasmazündung während des Wachstums konzentrieren. Es wird erwartet, dass eine effizientere Zersetzung des Vorläufers in Verbindung mit niedrigeren Temperaturen die Abscheidung verbessern wird.

Ein Hauptziel meiner Doktorarbeit ist die Herstellung einer GaInP/GaAs-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 30%, die in weniger als fünf Minuten gewachsen ist. Die Kombination dieser Neuheit mit anderen Teilen des Projekts wird den Weg für eine hocheffiziente und umweltfreundliche Produktion von Wasserstoff direkt aus Sonneneinstrahlung zu wettbewerbsfähigen Kosten ebnen.