Dreifachsolarzelle mit texturierter Rückseite

5.6.4 Dreifachsolarzelle mit texturierter Rückseite

Die Wirkungsgrade der Dreifachsolarzellen #178‐trip und #180‐trip werden durch die Photostromdichten der Si‐Unterzellen limitiert. Wie in Abschnitt 5.2 erläutert, kann die Absorption der Si‐Unterzelle durch die Vergrößerung der optischen Weglänge erhöht werden. Die Simulationsergebnisse in Abbildung 5‐4 zeigen, dass dies mit Hilfe einer Pyramidenstruktur auf der Rückseite erreicht werden kann. Aus diesem Grund wurde in weiteren Experimenten eine Ga0.51In0.49P/GaAs‐Zweifachsolarzelle mittels atomstrahl‐

aktiviertem Wafer‐Bonding mit einer Si‐Unterzelle der Charge SBC02‐pyramids, die eine texturierte Rückseite besitzt (siehe Abschnitt 5.2), verbunden. Die Externe Quanteneffizienz dieser Dreifachsolarzelle #103‐trip‐x17y9 mit einer Fläche von Adesignated=0.054 cm² ist in Abbildung 5‐16 gezeigt. Die EQE liegt im Wellenlängenbereich von 470 nm bis 900 nm bei über 70 %. Jedoch fällt sie entgegen der Erwartung in der Si‐Unterzelle ab einer Wellenlänge von 900 nm steil ab. Ursache davon ist eine verstärkte Rekombination an der Rückseite der Solarzelle, die sich auf eine unzureichende Passivierung zurückführen lässt. Als Folge generiert die Si‐Unterzelle eine geringe Photostromdichte von nur 6.4 mA/cm² (Spektrum AM1.5d, ASTM G173‐03 [10], 1000 W/m²) und limitiert den Strom der Dreifachsolarzelle.

GaInP/GaAs/Si‐Dreifachsolarzellen 119 Diese erreicht unter einfacher Sonnenkonzentration nur einen Wirkungsgrad²⁹ von 16.5 % (AM1.5d). Für die zukünftige Zellentwicklung sollten deshalb texturierte Si‐Solarzellen mit optimierter Rückseitenpassivierung verwendet werden.

Abbildung 5‐16: Externe Quanteneffizienz der Ga0.51In0.49P/GaAs/Si‐Dreifachsolarzelle

#103‐trip‐x17y9 mit einer Zellfläche von Adesignated =0.054 cm². Die Photostromdichten JPhoto der Teilzellen wurden für das Spektrum AM1.5d (ASTM G173‐03 [10], 1000 W/m²) unter einfacher Sonnenkonzentration berechnet. Die Basis der GaAs‐Zelle ist 1850 nm dick, die Si‐Unterzelle der Charge SBC02‐pyramids besitzt auf der Rückseite eine Pyramidenstruktur. Details zum Wafer‐Bonding‐Prozess sind in Tabelle 7‐2 zu finden.

(Messung wurden von Michael Schachtner am Fraunhofer ISE durchgeführt.)

29 Die Hellkennlinie der Solarzelle wurde unter einfacher Sonnenkonzentration aber ohne Maske gemessen (Normspektrum AM1.5d, ASTM G173‐03 [10], 1000 W/m²). Für die Bestimmung des Wirkungsgrads wurde der JSC mit der aus der EQE berechneten Photostromdichte der stromlimitierenden Si‐Unterzelle von 6.4 mA/cm² korrigiert. Die Vorgehensweise wird in Abschnitt 5.6.3 beschrieben.

400 600 800 1000 1200

0 20 40 60 80

100 GaInP-Oberzelle: J_Photo= 10.3 mA/cm² GaAs-Mittelzelle: J_Photo= 12.3 mA/cm² Si-Unterzelle: J_Photo= 6.6 mA/cm²

Externe Quanteneffizienz [%]

Wellenlänge [nm]

Entwicklung von GaInP/GaAs/Si‐Mehrfachsolarzellen 120

5.6.5 Strom‐Spannungs‐Kennlinien unter konzentriertem Sonnenlicht

Die Dreifachsolarzelle #180‐trip‐x15y1 wurde unter konzentriertem Sonnenlicht charakterisiert. Diese Messungen wurden zunächst ohne Abschattungsmaske und unter Verwendung einer Xenon‐Blitzlichtquelle durchgeführt, deren Spektrum in Abbildung 7‐3 im Anhang gezeigt wird. Unter diesem Lampenspektrum generiert die Si‐Unterzelle über 20 % mehr Photostrom als die Ga0.51In0.49P ‐Oberzelle und GaAs‐Mittelzelle. Der Photostrom wurde bei der Messung deshalb nicht von der Si‐Unterzelle sondern der GaAs‐Mittelzelle limitiert.

Aufgrund der signifikant veränderten Stromanpassung der Teilzellen haben die Dreifachsolarzellen unter dem Spektrum der Xenon‐Blitzlichtlampe einen anderen Füllfaktor als unter dem Spektrum AM1.5d. Deshalb können nur unkalibrierte Wirkungsgrade angegeben werden. Der Konzentrationsfaktor C wurde als Quotient der Kurzschlussstromdichte JSC(C>1) und der bei einfacher Sonnenkonzentration (mit Maske) unter dem Spektrum AM1.5d gemessenen Kurzschlussstromdichte JSC(C=1, AM1.5d)=10.1 mA/cm² berechnet.

In Abbildung 5‐17 wird der Wirkungsgrad und Füllfaktor der Dreifachsolarzelle in Abhängigkeit des Konzentrationsfaktors C gezeigt. Der Füllfaktor dieser Zelle steigt zunächst leicht mit steigender Konzentration an und fällt ab 50‐facher Sonnenkonzentration ab. Der maximale Wirkungsgrad von 30.1 %³⁰ wird für 120‐ bis 180‐fache Sonnenkonzentrationen erreicht. Für Konzentrationsfaktoren über 180 nimmt der Wirkungsgrad der Dreifachsolarzelle #180‐trip‐x15y1 ab, da Widerstandsverluste bei hohen Stromdichten zunehmen.

Abbildung 5‐17: Füllfaktor und Wirkungsgrad (unkalibriert) der Ga0.51In0.49P/GaAs/Si‐Dreifachsolarzelle

#180‐trip‐x15y01 in Abhängigkeit des Konzentrationsfaktors. Für die Messung wurde eine Xenon‐Blitzlichtlampe verwendet. Die Stromdichte unter einfacher Sonnenkonzentration wurde unter dem Referenzspektrum AM1.5d (ASTM G173‐03 [10], 1000 W/m²) gemessen. (Messungen wurden Andreas Bühl am Fraunhofer ISE durchgeführt.)

30 Bei der Messung unter konzentriertem Sonnenlicht wird der Photostrom der Dreifachsolarzelle durch die GaAs‐Mittelzelle und nicht durch die Si‐Unterzelle limitiert. Deshalb handelt es sich um einen unkalibrierten Wirkungsgrad.

GaInP/GaAs/Si‐Dreifachsolarzellen 121 Der Serienwiderstand der Dreifachsolarzelle wurde mit Hilfe der in Abschnitt 5.4.5 beschriebenen Methode aus den Hellkennlinien, die bei Konzentrationsfaktoren von C=70 und C=95 gemessen wurden, bestimmt. Dabei wurde angenommen, dass der Widerstand der Si‐Unterzelle in der Dreifachsolarzelle bei diesen Konzentrationsfaktoren noch nicht injektionsabhängig³¹ ist. Für die Dreifachsolarzelle #180‐trip‐x15y01 ergibt sich ein Serienwiderstand von RS = (1.60 ± 0.17) Ω³². Dieser ist um etwa 1.11 Ω größer als der experimentell bestimmte Widerstand der GaInP/GaAs–Zweifachsolarzellen, die auf Si‐Substrate gebondet wurden. Für die Zweifachsolarzellen wurden n‐Si‐Substrate mit kleinen spezifischen Widerständen (0.01 bis 0.02 Ωcm) und flächigen Metallkontakten verwendet. Im Gegensatz dazu, besitzt die Si‐Unterzelle einen hohen spezifischen Widerstand (1 bis 5 Ωcm) und eine Punktkontaktmetallstruktur auf der Rückseite. Zwar hat der verwendete Aluminiumkontakt einen geringen Grenzflächenwiderstand von unter 0.1 mΩcm², jedoch hat er zur Basis der Si‐Zelle nur eine Kontaktfläche von 0.75 % der gesamten Zellfläche. Dadurch fließen lokal sehr hohe Stromdichten und der Rückseitenkontakt hat einen Widerstand von ca. 0.25 Ω. In der Dissertation von Steffen Sterk [182] wurde gezeigt, dass die Verwendung einer Punktkontaktstruktur und lokalen p⁺‐Dotierung zusammen mit einem niedrig dotierten Si‐Substrat zu einem hohen Basiswiderstand in der Si‐Solarzelle führt. Summiert man den Widerstand des Rückseitenmetallkontakts mit den berechneten Vorderseitenkontakt‐, Emitter‐ und Si/GaAs‐

Bondwiderständen aus Tabelle 5‐4, so ergibt sich ein Wert von ca. 0.60 Ω. Mit dem experimentell für C<100 bestimmten Serienwiderstand folgt für den Si‐Substratwiderstand, der im Wesentlichen durch den Basiswiderstand gegeben ist, ein Wert von (1.00±0.17) Ω.

Damit stellt der Si‐Basiswiderstand einen Anteil von ca. 63 % am Gesamtwiderstand der Dreifachsolarzelle dar. Zu beachten ist jedoch, dass mit steigender Sonnenkonzentration Hochinjektionseffekte in der Si‐Unterzelle an Bedeutung gewinnen. Unter Hochinjektion wird die Leitfähigkeit der Si‐Basis nicht mehr von der Dotierung sondern der Ladungsträgerinjektion und ‐rekombination bestimmt [182]. Für eine genaue Analyse des Si‐Basiswiderstandes bei hohen Konzentrationsfaktoren müssen diese Effekte berücksichtigt werden.

Vergleicht man die Ergebnisse der Zweifach‐ und Dreifachsolarzellen fällt auf, dass der Wirkungsgrad der Dreifachsolarzelle #180‐trip‐x15y01 bereits bei einer kleineren Kurzschlussstromdichte von ca. 1.5 A/cm² statt 2.8 A/cm² sein Maximum erreicht. Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, dass der Wirkungsgrad der Dreifachsolarzellen unter

31 Die Injektionsabhängigkeit des Widerstandes von Si‐Solarzellen wurde in der Dissertation von Steffen Sterk [182] untersucht. Dabei wurde an Si‐Einfachsolarzellen mit Basisohmigkeit von 0.5 Ωcm aufgrund von Hochinjektionseffekten bei C = 100 nur eine schwache Erhöhung der Basisleitfähigkeit beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wird angenommen, dass sich die Widerstände der Si‐Unterzelle für C=70 und C=95 in der Dreifachsolarzelle nicht signifikant unterscheiden, da in der Si‐Unterzelle eine um ca. Faktor 4 geringere Photostromdichte als in Si‐Einfachsolarzellen generiert wird.

32 Ermittelt mit einem Widerstandsrechner, der von Dr. Christian Karcher am Fraunhofer ISE programmiert wurde.

Entwicklung von GaInP/GaAs/Si‐Mehrfachsolarzellen 122

konzentriertem Sonnenlicht durch Widerstandsverluste in der Silicium‐Unterzelle limitiert wird.

Für eine genauere Bestimmung des Wirkungsgrades der Dreifachsolarzelle #180‐trip‐x15y01 unter konzentriertem Sonnenlicht wurde eine zusätzliche Messung durchgeführt. Bei dieser wurde mit Hilfe eines Filters (NG11‐2mm von Schott) das Spektrum der Xenon‐

Blitzlichtlampe so verändert, dass die Dreifachsolarzelle wie bei der Messung unter einfacher Sonnenkonzentration (Spektrum AM1.5d) durch den Photostrom der Si‐Unterzelle limitiert ist. Um Beiträge des umliegenden Si‐Materials zum Photostrom zu vermeiden, wurde außerdem eine Abschattungsmaske verwendet, die die beleuchtete Fläche der Solarzelle auf einen Wert von Adesignated= 0.049 cm² begrenzen soll. In Abbildung 5‐18 wird die Kennlinie gezeigt, die unter diesen Bedingungen bei einem Konzentrationsfaktor von C=112 bestimmt wurde. Die Dreifachsolarzelle erzielt aufgrund der veränderten Stromanpassung einen Füllfaktor von 88.3% und einen Wirkungsgrad von 30.2 % (Spektrum AM1.5d).

Ein Wirkungsgrad von 30 % wurde nach dem Wissen der Autorin nie zuvor mit einer III‐V/Si‐Mehrfachsolarzelle realisiert. Um mit der Dreifachsolarzelle unter konzentriertem Sonnenlicht einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, muss nicht nur die Absorption der Si‐Unterzelle erhöht werden, sondern auch ihr Widerstand reduziert werden. Zur Reduktion des Basis‐Widerstandes können höher dotierte oder dünnere Si‐Wafer verwendet werden.

Nachteil einer geringeren Zelldicke ist jedoch, dass die optische Weglänge des Lichts verkürzt wird, was wiederum die Signifikanz einer Rückseitentexturierung verstärkt.

Zusätzlich sollte mittels Computersimulationen die Rückseitenpunktkontaktstruktur der Si‐Unterzellen für die Anwendung in einer GaInP/GaAs/Si‐Konzentratorsolarzelle optimiert werden. am Fraunhofer ISE durchgeführt)

0 1 2 3 4 (Spektrum AM1.5d) ,A_designated = 0.049 cm² J_SC = 1.129 A/cm²

Zusammenfassung und Ausblick der GaInP/GaAs/Si‐Mehrfachsolarzellen 123

5.7 Zusammenfassung und Ausblick der