Neue Technologie verspricht effizientere Solarzellen und eine schnellere Miniaturisierung der Elektronik.

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Die Suche nach leistungsfähigeren Solarzellen und miniaturisierter Elektronik ist weltweit Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Wissenschaftler am Universität Ottawa haben sich eine neue Technologie ausgedacht, die sie für ziemlich aufregend halten. Mathieu de Lafontaine, Postdoktorand an der University of Ottawa und Teilzeitprofessor für Physik, und Karin Hinzer, Prodekanin für Forschung und Universitätsforschungslehrstuhl für Photonische Geräte für Energie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, sagen, dass ihre Entdeckung den Weg ebnet Weg für eine neue Ära der Miniaturisierung im Bereich elektronischer Geräte.

Mit der Herstellung der ersten mikrometrischen Photovoltaikzellen mit Rückkontakt hat das Team einen Meilenstein erreicht. Die Zellen, die doppelt so groß sind wie eine Haarsträhne, bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Solartechnologien: Sie reduzieren die durch Elektroden verursachte Schattenbildung um 95 % und senken möglicherweise die Energieerzeugungskosten um das bis zu Dreifache. Der Durchbruch ist das Ergebnis einer Forschungspartnerschaft zwischen der University of Ottawa, der Université de Sherbrooke in Quebec und dem Laboratoire des Technologies de la Microélectronique in Grenoble, Frankreich.

„Diese mikrometrischen Photovoltaikzellen zeichnen sich durch bemerkenswerte Eigenschaften aus, darunter eine extrem geringe Größe und eine deutlich reduzierte Abschattung. „Diese Eigenschaften eignen sich für verschiedene Anwendungen, von der Verdichtung elektronischer Geräte bis hin zu effizienteren Solarzellen, leichten Kernbatterien für die Weltraumforschung und der Miniaturisierung von Geräten für die Telekommunikation und das Internet der Dinge“, sagt Hinzer.

Miniatur-Solarzellen erklärt

Hier ist die Zusammenfassung einer Forschungsarbeit, die am 20. Dezember 2023 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Zellberichte Physikalische Wissenschaft:

Dreidimensionale (3D) Verbindungen erhöhen die Leistungsdichte von Chips und ermöglichen eine Miniaturisierung. Photonische Chips erfordern neue Prozesse, um den Übergang zu 3D-Verbindungen zu ermöglichen. Wir stellen 3D-Verbindungen auf einer Mehrfachsolarzelle her und nutzen dabei Prozesse wie III-V-Heterostruktur-Plasmaätzen, Goldelektroabscheidung und chemisch-mechanisches Polieren, um durch Substratdurchkontaktierungen in die Heterostruktur zu integrieren.

Für die Verarbeitung von 20 µm dünnen III-V-Filmen kommt Wafer-Bonding zum Einsatz. Die Strategie ermöglicht es uns, photonische Leistungsgeräte zu demonstrieren, deren Flächen im Vergleich zu Standardchips um drei Größenordnungen kleiner sind. Das Design ermöglicht außerdem einen kleinen Schattierungsfaktor von unter 3 %. Im Vergleich zu miniaturisierten photonischen Leistungsgeräten mit zweidimensionalen Verbindungen erzielen 3D-Verbindungen eine sechsfache Steigerung der Waferflächennutzung. Diese Verbesserungen werden die Stromausbeute pro Wafer steigern und gleichzeitig hochdichte und miniaturisierte Geräte für Anwendungen wie Power over Fiber, das Internet der Dinge und Mikrokonzentrator-Photovoltaik erschließen.

de Lafontaine fügte hinzu: „Dieser technologische Durchbruch verspricht erhebliche Vorteile für die Gesellschaft. Kostengünstigere und leistungsstärkere Solarzellen werden dazu beitragen, die Energiewende zu beschleunigen. Leichte Atombatterien werden die Erforschung des Weltraums erleichtern und die Miniaturisierung von Geräten wird zum Wachstum des Internets der Dinge beitragen und zu leistungsfähigeren Computern und Smartphones führen. Die Entwicklung dieser ersten mikrometrischen Photovoltaikzellen mit Rückkontakt ist ein entscheidender Schritt bei der Miniaturisierung elektronischer Geräte.“

Die Forscher konzentrieren sich auf das, was sie „Shading“ elektronischer Geräte auf Siliziumbasis nennen. Bei denen, die in Zentimetern gemessen werden, beträgt die „Schattierung“, die durch sogenannte metallisierte Oberflächen (typischerweise Kupfer) verursacht wird, etwa 6 Prozent. Aber wenn die Größe des Siliziumgeräts kleiner wird, bleibt die Größe der Anschlüsse gleich. Das heißt, mit zunehmender Miniaturisierung kann die „Abschattung“ durch die elektrischen Verbindungen bis zu 70 Prozent erreichen. Mit dem neuen 3-D-Verbindungsverfahren können die Verbindungen für miniaturisierte elektronische Bauteile auf Siliziumbasis auf unter 3 Prozent gehalten werden.

Der lange Weg vom Labor zur kommerziellen Produktion

Die Forscher sind sich der Herausforderungen bewusst, die bei der Einführung neuer Technologien aus dem Labor in die Produktion häufig auftreten. Sie diskutieren einige der Hürden in ihrem Papier.

„Die erhöhte Komplexität einer 3D-Architektur bringt drei Hauptherausforderungen mit sich:

1. erhöhte Ausfallrisiken
2. erhöhte Herstellungskosten
3. Bedarf an Spezialwerkzeugen

Die erhöhten Ausfallrisiken lassen sich durch die Anzahl der erforderlichen technologischen Schritte erklären, die mehr als das Zehnfache der für Standardkontakte erforderlichen Anzahl beträgt. Darüber hinaus führt das Hinzufügen von Vias zu einem erhöhten Shunt-Risiko. Mehrere technologische Schritte wie Plasmaätzen und Atomlagenabscheidung (ALD) sind bereits bekannt und werden in der CMOS-Industrie eingesetzt. Daher kann das Wissen dieser ausgereiften Branche auch das mit Geräteausfällen verbundene Risiko mindern.

Die erhöhten Herstellungskosten durch die zusätzlichen technologischen Schritte sind unvermeidbar. Derzeit ist es schwierig, die Herstellungskosten von X-TSV-μ-Zellen abzuschätzen, da noch kein industrieller Transfer stattgefunden hat, aber es ist immer noch möglich, einige vorläufige Prognosen zu erstellen.

Die für Standard-Mehrfachsolarzellen erforderlichen Mikrofertigungsschritte machen etwa 10 % der Gesamtkosten des Geräts aus. Unter der Annahme, dass die Herstellungskosten linear mit der Anzahl der Schritte steigen, würde die TSV-Kontakt-Mikrofabrikation 100 % der aktuellen Standard-Kontakt-Mehrfachsolarzelle ausmachen, da die Anzahl der Herstellungsschritte zehnmal höher ist. Nach dieser Schätzung wären X-TSV-Zellen 1,9-mal so teuer wie eine aktuelle Standard-Kontakt-Mehrfachsolarzelle.

Es sind jedoch mehrere mildernde Faktoren zu berücksichtigen. Der Anstieg der Herstellungskosten muss vor dem Hintergrund betrachtet werden, dass er auch mit einer aktiven Wafernutzung zur Stromerzeugung einhergeht. Bei (miniaturisierten) Zellen konnte gezeigt werden, dass die aktive Fläche im Vergleich zu miniaturisierten Standard-Kontaktsolarzellen um das Sechsfache vergrößert werden kann. Diese große Verbesserung ist darauf zurückzuführen, dass die standardmäßige Frontmetallisierung nicht für miniaturisierte Geräte geeignet ist, wohingegen 3D-Verbindungen unabhängig von der Gerätefläche sind. Unter der Annahme, dass bei weiterer Entwicklung eine identische Umwandlungseffizienz erreicht werden kann, deuten diese Prognosen darauf hin, dass die mit dieser Technologie verbundenen Kosten pro Watt durch die Verwendung von (miniaturisierten) μ-Zellen anstelle von Standard-Kontakt-μ-Zellen um das Dreifache gesenkt werden könnten.

Unter Berücksichtigung der prognostizierten Vor- und Nachteile wäre die Verwendung von 3D-Verbindungen daher ein Weg zur Reduzierung der Kosten pro Energieertrag miniaturisierter Zellen. Dies ist eine positive Prognose, wenn man bedenkt, dass die aktuelle Herausforderung darin besteht, die Kosten für III-V-basierte Solarzellen zu senken. Beachten Sie, dass die Verwendung von 3D-Verbindungen auch die Kosten für die Zellmontage senken könnte, da Montageprozesse mit Oberflächenmontagetechnologie anstelle teurerer Drahtbond-Verbindungsprozesse verwendet werden könnten.

Spezialwerkzeuge für Miniatursolarzellen erforderlich

Wenn es um Batterien geht, achten die Forscher darauf, neue Technologien an bestehende Herstellungstechniken anzupassen. Von den Herstellern zu verlangen, dass sie bestehende Anlagen ausbauen und durch neue Werkzeuge ersetzen, kann ein Deal-Breaker sein, ganz gleich, wie groß der Nutzen für die Gesellschaft auch sein mag. Das Papier befasst sich speziell mit diesem Thema:

Für die Herstellung von TSV-Kontakten sind Spezialwerkzeuge erforderlich, die in der Multijunction-Photovoltaikindustrie nicht üblich sind. Um nur einige zu nennen: Plasmaätzen, ALD und chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) werden derzeit bei der Herstellung von Mehrfachsolarzellen nicht verwendet, was darauf hindeutet, dass für die X-TSV-Herstellung ein Paradigmenwechsel erforderlich sein wird. Diese drei Techniken sind jedoch seit mehreren Jahrzehnten in der CMOS-Industrie bekannt. Dieser Aspekt verleiht der Relevanz der CMOS-Industrie für die Herstellung dieser Geräte zusätzliches Gewicht. Erkenntnisse aus der CMOS-Branche könnten daher die mit dieser letzten Herausforderung verbundenen Risiken mindern. Dieser Aspekt ist angesichts der vielfältigen Herausforderungen, die mit der TSV-Zuverlässigkeit verbunden sind, von erheblicher Bedeutung.

Das wegnehmen

Ich bin kein Wissenschaftler und habe auch noch nie im Fernsehen mitgespielt, aber wenn ich das meiner Enkelin erklären würde, würde ich sagen, dass es zwar möglich ist, elektronische Geräte kleiner zu machen, dafür aber alles mit allem anderen verbunden werden muss es funktioniert. Die Komponenten werden möglicherweise kleiner, die Anschlüsse jedoch nicht. Durch die Entwicklung einer neuen Möglichkeit, diese Verbindungen in drei Dimensionen herzustellen, haben die Forscher herausgefunden, wie sich die Verbindungen zusammen mit den Komponenten miniaturisieren lassen. de Lafontaine und Hinzer würden wahrscheinlich über meine vereinfachende Erklärung lachen, aber so empfinde ich ihre Entdeckung.

Einige von uns fragen sich in einer Zeit, in der künstliche Intelligenz und Roboter in rasantem Tempo zusammenwachsen, ob kleinere, leistungsstärkere Elektronik wirklich notwendig ist, aber solche Bedenken spielen bei Grundlagenforschungsprojekten selten eine Rolle, bei denen es darum geht, die Grenzen des Möglichen zu entdecken. Jemand anderes ist dafür verantwortlich, zu bestimmen, ob eine neue Technologie kommerziell realisierbar ist oder die menschliche Verfassung verbessern kann.