Nieuwe materialen en technieken

: Wafer gebaseerde GaAs zonnecel met een Europees record rendement van 24,9%

III-V materialen

Uitgaande van elementen uit groep III (Al,Ga,In) en groep V (P,As) van het periodieke systeem kan men een hele reeks samengestelde halfgeleider materialen vormen zoals GaAs, InGaP, AlGaInP etc. Deze zogenaamde III-V materialen worden geproduceerd door ze in een reactor vanuit gasvormige toestand af te zetten op een substraat. Als substraat wordt een GalliumArsenide (GaAs) of Germanium (Ge) kristalschijf gebruikt. De atomen aan het oppervlak van deze kristalschijf (ofwel wafer) zitten onderling op precies de goede afstand waardoor de III-V materialen hierop een perfect geordende kristallaag vormen. Door de samenstelling van de gassen in de reactor te variëren, kunnen we een aantal belangrijke eigenschappen van deze materialen aanpassen aan onze wensen. Op deze wijze maken we materialen met een zeer hoog licht absorberend vermogen die wat lichtgevoeligheid betreft precies 'passen' bij het zonnespectrum. In praktijk betekent dit dat met III-V zonnecellen zeer hoge rendementen worden behaald. Aan de Radboud Universiteit is bijvoorbeeld een enkelvoudige GaAs zonnecel ontwikkeld met een rendement van 24,9%. Daarnaast zijn er door het combineren van de materialen InGaP en GaAs tandemzonnecellen met een rendement van meer dan 29,2% gemaakt. Helaas zijn voor de productie van III-V cellen zeer kostbare GaAs of Ge wafers nodig. Als gevolg hiervan zijn de cellen nog erg duur zodat ze op dit moment vooral in de ruimtevaart worden toegepast. Initiatieven om deze cellen op Aarde toe te passen verkeren nog in de onderzoeksfase. Om de toepassing op Aarde te bevorderen richt het onderzoek in Nijmegen zich enerzijds op de verhoging van het rendement van deze cellen en anderzijds op een sterke verlaging van hun kostprijs.

III-Nitrides

: Ruw GaN oppervlakprofiel als gevolg van defecten in het materiaal

De groep III-nitrides vormen een subgroep van de III-V materialen waarbij als groep V element stikstof (N) wordt gebruikt. Er bestaan echter geen substraten waarop deze stikstof houdende materialen kunnen worden afgezet. Daarom wordt voor de productie van III-nitrides eerst een zogenaamde bufferlaag op het substraat afgezet. De op deze wijze geproduceerde kristallagen bevatten een grote hoeveelheid defecten maar blijken desondanks prima geschikt voor sommige toepassingen. Zo blijken deze materialen bijzonder efficiënt elektriciteit in licht te kunnen omzetten. Als gevolg hiervan worden licht emitterende diodes (LEDs) op basis van deze materialen inmiddels veelvuldig gebruikt als lichtbron in de nieuwe generatie energie zuinige lampen.

Voor de toepassing in zonnecellen is het van belang dat met toevoeging van de III-nitrides er in principe voor elk deel van het zonnespectrum een samenstelling van III-V materialen beschikbaar is om de energie hiervan om te zetten in elektriciteit. Echter, in tegenstelling tot de omzetting van elektriciteit in licht blijkt het omgekeerde proces wel heel gevoelig voor de aanwezigheid van defecten. Als gevolg hiervan hebben III-nitride zonnecellen vooralsnog een laag rendement. De RU Nijmegen verricht fundamenteel materiaalkundig onderzoek om het ontstaan van de defecten vanuit de bufferlaag te leren begrijpen en beheersen. Uiteindelijk doel van dit onderzoek is het verminderen van deze defecten zodat III-nitrides kunnen worden toegepast voor de productie van meervoudige zonnecellen waarmee het hele zonnespectrum kan worden benut.

Epitaxiaal Lift-Off (ELO) techniek

: Dunne-film GaAs laag op een plastic drager (rechts) na Epitaxiaal Lift-Off van de kostbare kristal wafer (links).

De huidige generatie zonnecellen is duur omdat er veel zeer zuiver en daardoor kostbaar halfgeleidermateriaal nodig is om een bepaalde hoeveelheid energie te genereren. Bij III-V cellen zit meer dan 98% van dit materiaal in het substraat dat er tijdens de productiefase van de cel voor moet zorgen dat alle atomen op precies de goede plaats terechtkomen. De hoeveelheid halfgeleidermateriaal kan echter met een factor 50 tot 100 worden teruggebracht door toepassing van een Epitaxial Lift-Off proces. Door middel van dit proces wordt de geproduceerde III-V zonnecellaag met een dikte van slechts enkele micrometers gescheiden van de kostbare kristalwafer waarop het in eerste instantie is geproduceerd. Vervolgens wordt de dunne laag overgezet op een goedkope glazen of kunststof drager. De op een nieuwe drager geplaatste III-V laag wordt nu verder verwerkt tot een zonnecel, terwijl de oorspronkelijke wafer kan worden hergebruikt voor het afzetten van de volgende zonnecellaag.

De RU-Nijmegen speelt wereldwijd een voortrekkersrol in de ontwikkeling van Lift-Off methoden voor het scheiden en overzetten van dunne III-V films op een andere drager. De verdere ontwikkeling van deze en andere scheidingsmethoden om perfecte kristallen op goedkope niet-passende substraten te produceren is een speerpunt van het onderzoek naar III-V materialen en III-nitrides.