III-V Mehrfachsolarzellen Direktes Wafer-Bonden für hoch effiziente Solarzellen

Das Fraunhofer ISE und EV Group haben einen Kooperationsvertrag geschlossen, um gemeinsam Anlagen und Verfahrenstechnik für das Wafer-Bonden bei Raumtemperatur zu entwickeln.

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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet gemeinsam mit der EV Group (EVG) an der Entwicklung von Anlagen und Verfahrenstechnik zur industriellen Herstellung elektrisch leitfähiger und optisch transparenter Wafer-Bond Verbindungen. Unter dem Wafer-Bonden versteht man eine dauerhafte und sehr stabile Verbindung zwischen unterschiedlichen Halbleitersubstraten. Das neue Verfahren erlaubt es, stark fehlangepasste Materialkombinationen wie Galliumarsenid (GaAs) auf Silicium, GaAs auf Indiumphospid (InP), InP auf Germanium (Ge) oder GaAs auf Galliumantimonid (GaSb) zu realisieren.

Dabei greifen die Partner auf die kürzlich veröffentlichte und gemeinsam entwickelte ComBond-Technologie der EV Group zurück. Diese ermöglicht es, optisch transparente und gleichzeitig elektrisch leitfähige Halbleiterverbindungen bei Raumtemperatur herzustellen. Durch die freie Wahl optimaler Materialkombinationen in III-V Mehrfachsolarzellen können in Zukunft ganz neue Zellarchitekturen mit unübertroffener Leistung entstehen.

„Durch die Kooperation mit EVG erwarten wir einen wichtigen Schritt hin zu einer industriellen Umsetzung der direkten Wafer-Bond Technologie. Dieses Verfahren ist entscheidend für die weitere Entwicklung von III-V Mehrfachsolarzellen und eröffnet das Potenzial, die Wirkungsgrade in Richtung 50% zu steigern“, sagt Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter „III-V – Epitaxie und Solarzellen“ am Fraunhofer ISE.

Das Fraunhofer ISE entwickelt seit mehr als 20 Jahren III-V Mehrfachsolarzellen und hat mit seiner metamorphen Dreifachsolarzellentechnologie auf Germanium bereits Wirkungsgrade bis zu 41% erreicht. Um höhere Wirkungsgrade zu erzielen, bedarf es der Entwicklung von Vier- oder Fünffachsolarzellen mit neuartigen Materialkombinationen, um das gesamte Absorptionsspektrum des Sonnenlichts zwischen 300 und 2000 nm abzudecken.

Die Integration von III-V Solarzellen auf Silicium eröffnet weitere Möglichkeiten, die Herstellungskosten zu senken, besonders in Kombination mit modernen Lift-off-Verfahren. Direktes Wafer-Bonden wird erwartungsgemäß eine wichtige Rolle spielen bei der Entwicklung von III-V Solarzellen der nächsten Generation, sowohl für Weltraumanwendungen als auch für die terrestrische Konzentrator-Photovoltaik (CPV).

Die ComBond Technologie wurde von EVG entwickelt als Antwort auf die Marktanforderung an ausgereifte Integrationsverfahren zur Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten und thermischem Ausdehnungskoeffizienten. Die Verfahrens- und Anlagentechnologie ermöglicht stabile Verbindungen zwischen heterogenen Materialien wie Silicium zu Verbindungshalbleiter, Verbindungshalbleiter zu Verbindungshalbleiter, Germanium zu Silicium oder Germanium zu Verbindungshalbleiter – bei Raumtemperatur und gleichzeitig mit ausgezeichneter Verbundfestigkeit. Noch in diesem Jahr wird die Technologie auf der neuen 200-mm-Plattform EVG580 ComBond kommerziell verfügbar sein. Spezielle Prozessmodule des Systems werden die vorbereitende Oberflächen-Konditionierung von Halbleitermaterialien und Metallen ermöglichen.

Weitere mögliche Anwendungsbereiche für das gemeinsam von EVG und Fraunhofer ISE entwickelte Verfahren sind neben der Photovoltaik auch die Produktion von Leuchtdioden (LEDs) und die Silicium-Photonik. //