Si gehört zu den am häufigsten vorkommenden Materialien auf der Erde und wird auch häufig für Prozessoren verwendet. Es gibt nur sehr wenige andere Materialien, die damit auch nur theoretisch konkurrieren können. Germanium und GaAs werden das niemals können. Organische Solarzellen waren aufgrund der geringen Herstellungskosten vielversprechend (fragen Sie einfach Bakterien oder was auch immer, um Ihre Solarzellen herzustellen), scheiterten jedoch. Jetzt sind Perowskite und insbesondere Perowskit-Silizium-Tandems das heiße Thema in der Forschung.

Damals sahen auch Dünnschichttechnologien wie CdTe, CIGS usw. vielversprechend aus und begannen, bedeutende Marktanteile zu gewinnen – der höchste lag bei etwa 13 %, und viele glaubten, dass sie mehr als 20 % des Marktes erreichen würden, da sie die Siliziumeffizienz fast erreicht hätten . Aber dann traten Chinesen in den Markt ein und töteten andere Technologien, indem sie die Si-Preise drastisch senkten.

GaAs und eng verwandte andere III-V-Technologien werden dort eingesetzt, wo die Massen- oder Flächeneffizienz am wichtigsten ist, da diese Technologie die höchste Effizienz bietet - daher wird sie für Satelliten und andere Raumfahrzeuge verwendet. ISS verwendet jedoch immer noch Silizium (obwohl GaAs schon damals eine höhere Effizienz hatte). Aus Tristans Kommentar geht hervor, dass sie ziemlich bald auf hochmoderne GaAs-Tandems aufrüsten werden – die Tandems hier werden GaInP/GaAs/Ge sein. Dieses Tandem ist das typischste, aber verschiedene andere Konfigurationen sind möglich. Solche Tandems sind normalerweise (aber nicht immer) gitterangepasst und kombinieren Ga/In mit N/P/As in verschiedenen Verhältnissen, um eine variable Bandlücke zu erreichen.

Nun konkreter zu den genannten Technologien in der Frage:

1. GaAs ist wahnsinnig teuer. Ein einzelner Wafer kostet mehrere hundert Euro, während selbst Floatzone-Siliziumwafer Dutzende kosten, und typische Solarzellen aus spottbilligem Silizium bestehen und weit unter 1 € für den Wafer kosten (unverarbeitete Waferkosten). Fügen Sie tonnenweise Si-Technologie aus der CPU-Industrie hinzu. Werkzeuge zu bekommen, die auf Silizium zaubern können, ist einfach und billig, Werkzeuge für III-V sind teuer und viel problematischer, so dass die Verarbeitung wieder Si begünstigt.
2. Germanium allein ist kein gutes Solarzellenmaterial - zu geringe Bandlücke. Aber super für Tandems. Sicher, es wird Tonnen von Photonen sammeln, aber die gesamte Photonenenergie jenseits der Bandlücke wird verschwendet und Sie werden am Ende nicht viel Energie haben. Es sei denn, Sie versuchen (und scheitern schließlich), brauchbare Abwärtswandler herzustellen, um die hochenergetischen Photonen in zwei Teile aufzuteilen, von denen jedes die Hälfte der Energie hat. Si ist eigentlich ziemlich gut in Bezug auf die Bandlücke, nur ~1% (absolut) unter dem Maximum.
3. Indirekte Bandlücke bedeutet nur, dass Ihr Absorptionskoeffizient in der Nähe der Bandlücke stark abfällt. Das hat optisch nur eine Konsequenz: Man braucht eine dickere Absorberschicht, um die gleiche Absorption zu bekommen. Aber da Silizium billig ist, ist es kein großes Problem. Wie sich herausstellte, wurden 100-μm-Wafer eher aufgrund der Wafer-Handhabung als der Effizienz verschoben – es stellte sich heraus, dass Sie sie im Gegensatz zu den robusten 180-μm-Wafern leicht zerbrechen können. Außerdem würde selbst 1 μm dünnes Silizium immer noch überraschend viel Licht absorbieren, wenn es an jeder Grenzfläche stark gestreut wird.

Apropos Germanium versus Silizium: Eine kleinere Bandlücke ist in einer Solarzelle nicht gut.

Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Single-Junction-Solarzelle bei natürlichem, unfokussiertem Sonnenlicht wird als Shockley-Queisser-Grenze bezeichnet und ist eine Funktion der Bandlücke. Es stellt sich heraus, dass diese Grenze bei einer Bandlücke von maximal ist$1.34~\rm eV$, das Galliumarsenid ($1.42~\rm eV$) ausgezeichnet und Silizium ($1.1~\rm eV$) immer noch ziemlich gut. Germanium ist weit genug entfernt, dass seine Effizienz viel geringer ist.

Der Rohstoff Germanium ist etwa 100- bis 1000-mal teurer als Silizium.

Darüber hinaus ist die Wissenschaft und Technik von Silizium gut etabliert.

Außerdem verwenden Sie nicht wirklich Silizium, um die Solarzellen herzustellen, man verwendet dotierte Silizium-pn-Übergänge, um die Zelle herzustellen, und wenn Sie ein Solarpanel zum Einschalten verwenden möchten, benötigen Sie eine gewisse Spannungsdifferenz.

Da Silizium im Überfluss vorhanden ist (ich glaube, etwa 25 % der Erdkruste bestehen aus Silizium), hat die Industrie es als Standard akzeptiert. Die International Technology Roadmap for Semiconductors sagt, dass viele neue Materialien die Industrie verändern werden, aber sie glauben auch, dass Silizium das dominierende Material auf diesem Gebiet sein wird.

Eine große Anzahl von Methoden wurde gerade für Silizium entwickelt. Der Czochralski-Prozess, Dotieren mit Ionenimplantation, Wafer-Dicing-Techniken usw. sind alles komplizierte Prozesse und Verfahren, die in der Industrie verwendet werden. Viele Geräte, die für die Halbleiterfertigung verwendet werden, kosten Milliarden von Dollar und sind normalerweise für die Arbeit mit Silizium optimiert. Die Verarbeitung anderer Materialien ist natürlich möglich, aber aufgrund begrenzter Kenntnisse und wirtschaftlicher Kosten sind diese Methoden normalerweise auf die akademische Forschung beschränkt.

Fazit: Silizium ist vielleicht nicht das beste Material für Solarzellen, wird aber aufgrund wirtschaftlicher und technologischer Restriktionen von der Industrie bevorzugt.

Ich bin kein Experte für Halbleiterphysik, aber durch einige Internetrecherchen habe ich herausgefunden, dass Geld nicht immer der entscheidende Faktor ist. Germanium wird manchmal auch in Halbleitern verwendet und wurde als solches schon vor Silizium verwendet. Germanium ist anscheinend bei hohen Temperaturen weniger stabil und verträgt hohe Leistungspegel nicht so gut wie Silizium. Außerdem ist Germanium in der Erdkruste weniger häufig als Silizium.

Infrastruktur

Verzeihung. Aber die Antwort ist wirklich langweilig und hat nichts mit Physik zu tun.

Die Antwort ist einfach, weil wir eine ganze Industrie haben, die darauf ausgerichtet ist, qualitativ hochwertiges, hochreines und fehlerarmes Silizium herzustellen.

Die Elektronikindustrie produziert seit Jahren reine Siliziumbarren. Interessanterweise wurde aus demselben Grund Silizium für das Avogadro-Projekt ausgewählt.

Am wichtigsten

Si ist viel billiger.

Obwohl GaAs in Bezug auf die Effizienz viel besser ist als Si, ist es sehr kostspielig, so dass Dallar / Watt steigen. Daher wird GaAs nur in bestimmten Anwendungen wie Weltraumprojekten verwendet.

Die sehr kleine Bandlücke von Ge führt zu mehreren Verlustmechanismen, die die Effizienz von Ge-Zellen reduzieren.

Weiterführende Literatur https://en.m.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

https://scholar.google.co.in/scholar?q=gaas+on+silicon&hl=de&as_sdt=0&as_vis=1&oi=scholart