Ultradünn und hocheffizient
Der Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen ist deutlich höher als jener der heutigen Silizium-Zellen. Doch um sie konkurrenzfähig zu machen, braucht es Innovationen bei den diversen Herstellungsschritten. Ein neu unterstütztes Team am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg im Breisgau (D) hat die Ideen dafür.
Der Campus des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg im Breisgau ist weitläufig. Und wenn Frank Dimroth einen von Gebäude zu Gebäude und von Innovation zu Innovation führt, bekommt man ein Gefühl dafür, wie komplex die Herstellung einer Solarzelle ist. Nicht irgendeiner Solarzelle. Sondern einer, die es so noch nicht gibt. Und die Europa eine zweite Chance eröffnen könnte, um in der weltweiten Solarindustrie einen Spitzenplatz zu erlangen.
Frank Dimroth ist Leiter der Abteilung III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. Er leitet gemeinsam mit ISE-Direktor Andreas Bett das Projekt «Nachhaltige Energiewende durch höchsteffiziente Tandemphotovoltaik», das die Werner Siemens-Stiftung (WSS) in den kommenden 7 ½ Jahren mit insgesamt 14 Millionen Euro unterstützt. Weitere 1,4 Millionen Euro steuert die Fraunhofer-Gesellschaft bei.
100 Mal günstiger werden
Im Zentrum des Projekts stehen sogenannte III-V-Mehrfach-Solarzellen. Sie bestehen aus zwei bis sechs übereinander gewachsenen Solarzellen, die sich aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems zusammensetzen; etwa Gallium, Indium, Arsen oder Phosphor. Weil jede Schicht einen anderen Anteil des Sonnenlicht-Spektrums aufnimmt, erreichen solche «Tandem-Solarzellen» sehr hohe Wirkungsgrade. Gegenüber den heute verwendeten Siliziumzellen lässt sich mit ihnen pro Fläche ungefähr ein Drittel mehr Leistung herausholen.
Das ist erklecklich – und würde den Flächen- und Ressourcenbedarf der Solarindustrie deutlich vermindern. Trotzdem haben sich Tandem-Solarzellen bisher erst in der Weltraumindustrie durchgesetzt, etwa um Satelliten mit Strom zu versorgen. «Unsere Ausgangsstoffe sind seltener und teurer als Silizium», erklärt Frank Dimroth. Zudem seien die Herstellungsverfahren heute noch aufwändig, weil es sich für den Nischenmarkt Weltraum nicht lohnte, Maschinen und Prozesse extra zu entwickeln, welche eine Massenproduktion zu günstigen Preisen ermöglichen. «Für die terrestrische Anwendung ist dies aber eine Notwendigkeit.»
Der Herstellungsprozess jeder III-V-Mehrfach-Solarzelle besteht aus drei Teilen: Als Erstes wird ein Wachstumssubstrat hergestellt, ein sogenannter Wafer. Als Zweites werden die III-V-Halbleiter schichtweise auf das Substrat aufgebracht – in einem Prozess, der als Epitaxie bezeichnet wird. Im dritten Teil, der sogenannten Prozessierung, wird die Solarzelle fertig gestellt, mit allen Kontakten, Entspiegelungsschichten und Separationsprozessen.
«Jeder dieser drei Teile trägt ungefähr ein Drittel zu den Kosten der Solarzelle bei, deshalb müssen wir alle drei angehen», sagt Frank Dimroth. Und zwar nicht bloss ein bisschen. Jeder Prozessteil muss um ein Vielfaches effizienter werden. «Unser Ziel ist es, den Prozess hundert Mal günstiger zu machen», sagt Dimroth. So viel höher liegen die Herstellungskosten für III-V-Mehrfach-Solarzellen verglichen mit Standard-Solarzellen heute.
Sollbruchstelle im Wafer
Für diesen Kraftakt wendet das Team diverse innovative Strategien an. Beim Wachstumssubstrat, den Wafern, geht es um Materialeinsparungen. Wafer sind ungefähr 0,3 Millimeter dicke Scheiben. Sie geben den III-V-Schichten, die später das Sonnenlicht einfangen, eine genaue Wachstumsstruktur vor. «Für unsere Solarzellen verwenden wir ein teures Material, Germanium», erklärt Dimroth. «Deshalb wollen wir die Unterlage nach der Herstellung entfernen und mehrfach wiederverwenden.»
Wie das funktioniert, zeigt er in einem Labor im Hauptgebäude des ISE. Wer es betreten will, muss einen Schutzkittel und Einweg-Überschuhe anziehen – Schmutzpartikel könnten die Experimente gefährden, an denen das Team hier arbeitet. Unter einem Abzug ist eine Halterung zu sehen, in die sich ein runder Wafer einspannen lässt. Die Scheibe wird dann in einem Becken mithilfe von Flusssäure und zwei Elektroden elektrochemisch behandelt.
Dabei passiere zweierlei, erklärt Dimroth. «Wenn wir eine negative Spannung anlegen, führt das zu einer hauchdünnen Ätzung auf der Oberfläche des Wafers.» Bei einer positiven Spannung schliessen sich die Oberflächen wieder. Die Kombination beider Schritte mit einem weiteren thermischen Ausheizschritt ermöglicht es, wenige hundert Nanometer unter der Oberfläche des Wafers eine poröse Schicht zu erzeugen.
Diese Schicht dient als eine Art Sollbruchstelle. «Am Ende des Herstellungsprozesses können wir die Halbleiterschichten vom Wafer abziehen und diesen mehrfach wiederverwenden», erklärt Dimroth. Um diese Technologie zu perfektionieren, braucht es allerdings intensive Forschung. «Wir haben gezeigt, dass wir die Schichten herstellen können. Aber wir haben den Ablöseprozess noch nicht im Griff.» Auf diese Frage konzentriere sich eine der ersten Doktorarbeiten in dem Projekt, die im Oktober 2025 begann.
Einzigartige Epitaxie-Anlage
Vor der Substratablösung müssen die III-V-Halbleiter-Schichten der Solarzelle aufgebracht werden. Dies geschieht Schritt für Schritt in einer mehr als zehn Meter langen Anlage. Frank Dimroth führt den Besucher durch Flure und Treppenhäuser bis zum Epitaxie-Labor des ISE. Neben zwei bestehenden Anlagen befindet sich hier eine neue, die noch nicht ganz fertig eingerichtet ist. Sie soll diesen zweiten Solarzellen-Entwicklungsteil radikal beschleunigen.
Die Maschinen, die heute für das Kristall-Wachstum von III-V-Mehrfach-Solarzellen verwendet werden, sind relativ langsam und haben einen geringen Durchsatz. Vor ungefähr vier Jahren hätten sich Expertinnen und Experten des ISE deshalb zusammengesetzt, um zu besprechen, wie eine effiziente Epitaxie-Anlage aufgebaut sein müsste, erzählt Dimroth. «Wir dachten, in einem halben Jahr hätten wir die Prozesse zusammen, aber das war zu optimistisch.»
Doch nun ist es so weit. In Zusammenarbeit mit deutschen Mittelstandsfirmen bauten die Forschenden eine Anlage, die perfekt auf die Bedürfnisse der III-V-Mehrfach-Photovoltaik zugeschnitten ist. «Wir wollen einen Prozess, der heute zwei Stunden dauert, auf fünf Minuten verkürzen», sagt Dimroth.
Der Epitaxie-Prozess funktioniert folgendermassen: Der Germanium-Wafer wird in eine Reaktionskammer gebracht. Währenddessen werden im Bauch der Anlage nach einer geheimen Formel die verschiedenen Halbleiter-Zutaten in einen gasförmigen Zustand gebracht, vermischt und mit Dotierstoffen versehen, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu optimieren. Das Gemisch wird in die Reaktionskammer geleitet und mit einer Art Duschkopf auf den Wafer gesprüht. In der auf 700 Grad Celsius erhitzten Kammer setzen sich die Metallatome ab – und suchen sich ihren Platz im Kristallgitter des Wafers. Ungefähr 20 bis 40 Halbleiterschichten werden so abgeschieden. So entsteht eine nur wenige Mikrometer dicke, aber sehr effiziente Solarzellenstruktur.
Viel rascher aufgeheizt
Die neue Anlage steckt voller Innovationen. Eine ist ganz schlicht die Form der Reaktionskammer. Sie ist nicht rund wie bei der bisherigen Epitaxie-Anlage, sondern quadratisch. Dadurch entsteht weniger ungenutzte Fläche. «Allein dies wird einen Effizienzgewinn von 20 Prozent bringen», sagt Dimroth. Eine enorme Verbesserung ist auch eine neuartige Heiztechnik, mit der die Reaktionskammer innert einer Minute auf 700 Grad erhitzt wird. «Die Anlage nebenan benötigt dafür 20 Minuten», sagt Dimroth.
Über der Reaktionskammer ist zudem eine Stahlkiste angebracht. «Das ist ein Plasmagenerator, mit dem sich Gase ionisieren lassen», erklärt Frank Dimroth. Der Plasmagenerator, so seine Hoffnung, erleichtert die Zerlegung der Moleküle, sodass weniger Hitze benötigt wird, um die Metallatome auf den Wafer zu bringen. Allerdings könnte das Plasma das Solarzellenmaterial auch schädigen. Die erste Dissertation im Bereich Epitaxie untersucht deshalb unter anderem, ob der Plasmagenerator ein Vor- oder Nachteil für den Prozess ist. «Wir betreten hier wissenschaftliches Neuland», sagt Dimroth.
Der dritte Teil der Solarzellenproduktion, die Prozessierung, findet im «Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen» statt, welches das Fraunhofer ISE vor vier Jahren eröffnet hat. Hier werden die epitaxierten Wafer zu funktionierenden Bauelementen verarbeitet. Heutige Prozesse finden in Reinräumen statt, die aufwändig und teuer sind. Einige Räume sind gelb beleuchtet. Dort wird mit lichtempfindlichen Photolacken gearbeitet, um sogenannte Masken auf der Vorderseite der Zelle zu erzeugen. Anschliessend werden darauf hauchdünne Metallschichten aufgedampft und dann der Photolack wieder entfernt. Zurück bleiben feine, fingerartige Metallbahnen. «Diese Metalle sollen einen möglichst geringen Teil der Zelle bedecken, um deren Effizienz nicht zu verringern», sagt Dimroth.
Eine erste Dissertation in diesem Bereich untersucht, wie sich solche Fertigungsschritte bewähren, wenn die Tandem-Solarzellen-Folien nur noch wenige Mikrometer dick sind. Und wie man die Herstellung kostengünstiger machen könnte. Dazu gehört insbesondere auch, die heutigen Mikroelektronik-Techniken zu ersetzen durch Fertigungstechniken, wie sie die Silizium-Photovoltaik anwendet.
Den Lack aufdrucken
Ein Beispiel zeigt Dimroth in einem Laborraum im Obergeschoss. Hier steht ein ungefähr zwei auf zwei Meter grosser Tintenstrahldrucker. Mit diesem Gerät lassen sich Lacke so genau auf Solarzellen aufdrucken, dass man die hauchdünnen Bahnen für die Metallbedampfung direkt aussparen könnte. Das würde zwanzig Mal weniger lang dauern als die heutigen Prozesse und erst noch weniger Lack benötigen. Noch allerdings braucht der Drucker Verbesserungen. Heute drucke er auf zehn Mikrometer genau, sagt Dimroth, nötig wären ungefähr fünf Mikrometer. «Wir wollen die Prozesse Schritt für Schritt schneller und skalierbarer machen – gleichzeitig müssen wir genügend exakt bleiben.»
Denn am Ende müssen die neuen Solarzellen nicht nur wirtschaftlich mit den herkömmlichen Siliziumzellen mithalten, sondern auch ihren überlegenen Wirkungsgrad beibehalten. «Wir wollen vermeiden, dass die Zellen im Verlauf der Herstellung an Effizienz verlieren», sagt Dimroth. «Unser Ziel ist es, Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 35 Prozent kostengünstig herzustellen.» Gelingt dies, steht einer neuartigen Photovoltaik nichts im Weg – und sie wäre erst noch «Made in Europe».
