Tandem Solarzellen: Aufbau, Halbleiter-Kombinationen & Wirkungsgrade

• Was ist eine Tandem Solarzelle? Auch als Tandem Solar Cell bekannt, bestehen diese Zellen aus mindestens zwei teilweise transparenten, übereinander geschichteten Zell-Typen. Daher werden sie auch als Stapelsolarzellen oder Mehrfachsolarzellen bezeichnet.
• Wie funktioniert sie? Bei einer Tandem-Solarzelle schichtet man Teil-Solarzellen so übereinander, sodass die jeweilige Schicht nacheinander einen bestimmten Teil des Lichtspektrums nutzt. Zusammen absorbieren sie dann einen deutlich größeren Teil des Lichtspektrums als Einfach-Solarzellen.
• Aufbau von Tandem-Zellen: Tandem-Solarzellen bestehen aus einer Kombination von Materialien, die ein unterschiedliches Lichtabsorptionsverhalten aufweisen. Typischerweise wird eine Silizium-Solarzelle mit einer oder mehreren Teil-Solarzellen aus III–V-Verbindungshalbleitern oder mit Perowskit-Zellen kombiniert.
• Perowskit in Tandemzellen: In Tandem-Solarzellen wandelt der Halbleiter mit einer niedrigeren Bandlücke eher rotes Licht in Strom um, während der Halbleiter mit größerer Bandlücke eher blaues Sonnenlicht umwandelt. Da sich die Bandlücke von Perowskit chemisch beeinflussen lässt, können Perowskite mit niedriger Bandlücke mit einem zweiten Material, das eine hohe Bandlücke besitzt, optimal kombiniert werden.
• Wirkungsgrad Tandemsolarzelle: Mehrfachsolarmodule machen ein großes Lichtspektrum nutzbar und weisen daher einen höheren Wirkungsgrad auf. Deutlich über 40 Prozent sind theoretisch möglich – bei einfachen Siliziumsolarzellen etwa ist bereits bei 29 Prozent Schluss.
• Tandem Solarzelle Markreife: Bislang befanden sich solche Tandem-Techniken noch im Entwicklungsstadium oder wurden mit Konzentrator-Photovoltaik-Systemen kombiniert. Mittlerweile sind jedoch verschiedene Techniken serienreif. Gute Nachrichten für alle, die Tandemsolarzellen kaufen wollen. Ein prominentes Beispiel ist die Perowskit-Solarzelle.

Daher liegt ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung von Tandem-Solarzellen darin, die Solarzellen so zu kombinieren, sodass sich ihr jeweilig nutzbarer Wellenlängenbereich optimal miteinander ergänzt. So kann durch das Zusammenfassen der unterschiedlichen Absorptionsverhalten ein wesentlich größerer Wellenlängenbereich nutzbar und Solarstrahlung deutlich effizienter in Strom umgewandelt werden als dies mit einer Einzelzelle möglich wäre.

Tandem-Solarzellen auf Basis der Dünnschicht-Technologie werden durch Aufdampfen einer Mikrometer-dünnen Schicht hergestellt. Die Kombination ermöglicht höchsteffiziente Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgradpotenzial von über 30 Prozent. Zudem bieten Dünnschicht-Tandem-Solarzellen den Vorteil, dass dieser Zelltyp auf der Basis vorhandener Herstellungsprozesse auch leichter und kostengünstiger in Serienfertigung hergestellt werden könnte.

Organische Solarzellen auf Basis leitfähiger Polymere bzw. Oligomere lassen sich beispielsweise aus flüssiger Phase prozessieren und auf flexible Substrate gedruckt werden. Die organischen Absorber weisen dabei in einem bestimmten Spektralbereich außerordentlich hohe Absorptionskoeffizienten auf, so dass bereits sehr dünne Schichten von etwa 100 Nanometer (nm) ausreichen, um Licht entsprechender Wellenlängen mit einer hohen Konversionsrate in elektrischen Strom zu wandeln.

Ein vielversprechender Ansatz, um die Leistung von photovoltaischen Zellen zu steigern, ist daneben die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle) zu einer Tandem-Zelle. Bei Farbstoffsolarzellen fängt ein Farbstoff statt eines Halbleitermaterials das Licht ein. Besonders vielversprechend scheinen Tandem-Zellen aus einer konventionellen n-Typ- und einer „inversen“ p-Typ-Farbstoffsolarzelle. Während n-Typ-Farbstoffsolarzellen mit einer sogenannten Photoanode arbeiten, die mit einem n-Halbleiter, z.B. Titandioxid, und einem Farbstoff beschichtet sind, befinden sich auf der Photokathode ein spezieller Farbstoff und ein p-Halbleiter.

Tandem-Solarzellen können zudem auch durch ihre Bauform noch höhere Wirkungsgrade erzielen. So kann durch Reflexionsschicht an der Unterseite dafür gesorgt werden, dass die Photonen des Sonnenlichts länger in den jeweiligen Schichten gehalten werden (Photonen-Recycling) oder es werden Fresnel-Linsen genutzt, die das Licht konzetriert bündeln und gezielt auf die Tandem-Solarzellen lenken.

Vielversprechende Halbleiter zur Realisierung von hocheffizienten Tandemanordnungen sind auf Grundlage des gegenwärtigen Forschungsstandes u.a.

• hydrogenisiertes amorphes Silizium (a-Si:H),
• hydrogenisiertes amorphes Germanium (a-Ge:H),
• polykristallines Silizium (mc-Si),
• polykristallines Kupferindiumdiselenid (CIS) und
• polykristallines Kupfergalliumdiselenid (CGS).

Mit diesen Halbleitern lassen sich verschiedene Tandem-Kombinationen (Silizium-Germanium, Silizium-Silizium, Galliumarsenid-Germanium oder Galliumindiumarsenid-Galliumindiumphosphid) mit dem gewünschten Bandlücken- und Gitterverhältnis herstellen.

Eine weitere Möglichkeit, eine Tandem-Zelle zu bilden, bietet die Kombination von zwei Silizium-Halbleitern. Dabei werden eine amorphe Siliziumschicht und eine zweite Schicht aus mikrokristallinem Silizium kombiniert. Die Bandlücken betragen etwa 1,7 Elektronenvolt (eV) bzw. 1,1 eV, so dass die eine Schicht den sichtbaren, roten und die andere Schicht den infraroten Teil des Sonnenspektrums nutzt. Der Wirkungsgrad von solchen Silizium Tandem-Modulen kann bis zu 12% betragen.

Antec Solar ist einer der wenigen Hersteller, der Module auf eigenen Maschinen in CdTe und Mikromorph Tandem Dünnschicht (CdTe und a-Si/µc-Si) fertigt. Diese Tandem-PV-Module sind Kundenanfertigungen, die Antec Solar in einer Vielzahl von technischen und optischen Gestaltungsmöglichkeiten für den Einsatz in Sonderanwendungen und besonders in gebäudeintegrierten PV-Systemen (BIPV) anbietet.

Bereits 2014 hat das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Soitec, CEA-Leti und dem Helmholtz-Zentrum einen Wirkungsgrad von 44,7 % mit einer aus zwei Tandem-Solarzellen bestehenden Zelle unter konzentriertem Licht erreicht. Die aus den Verbindungshalbleitern GaInP, GaAs, GaInAs und InP bestehenden Tandem-Zellen wurden zunächst separat auf unterschiedlichen III-V Substraten abgeschieden und anschließend durch das so genannte Wafer-bond-Verfahren so fest miteinander verbunden, dass die Grenzfläche den Stromfluss durch die Vierfach-Solarzelle erlaubt.

2022 gelang es den Forschern, den Wirkungsgrad der Vierfachsolarzelle auf 47,6 Prozent zu steigern! Es handelte sich hierbei um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium- Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die von Soitec auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) gebondet wurde. Die Solarzellenschichten wurden dann im Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen des Fraunhofer ISE mit verbesserten Kontaktschichten und einer 4-lagigen Antireflexionsschicht versehen.

Dresdner Firma Heliatek stellt mittels einer patentierten Zellentechnologie Tandem-Solarzellen her, mit denen ein breites Sonnenspektrum mit nur 500 nm dünnen, aktiv arbeitenden Schichten aufgenommen werden kann. Der aktive Bereich ist nur etwa 250 nm dünn und wird zwischen zwei Barrierefolien eingepasst, die gegen UV Strahlung und Feuchtigkeit schützen. Die organischen Heliatek Tandemzellen weisen eine Zelleffizienz von 12% für opake (nicht transparente) Zellen auf.

Weitere Forschungs- und Entwicklungsbemühungen legen daher nahe, dass die Verbindung komplementärer Absorbermaterialien in einer Tandem-Solarzelle die Kosten für Solarmodule der nächsten Generation dramatisch senken könnte.