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Funktionsprinzip und Arten von Tandem-Solarzellen

Wie funktioniert eine Tandem-Solarzelle? Wie werden sie hergestellt? Welche Halbleiter lassen sich zu Tandemzellen kombinieren?

  • Wenn man zwei Solarzellen wie bei einem Tandem kombiniert, so kann man ähnlich wie beim Fahrrad auch schneller fahren bzw. mehr Strom aus der einfallenden Lichtenergie gewinnen.
  • Tandemsolarmodule bestehen aus zwei unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarmodultypen, die das Sonnenlichtspektrum gemeinsam besser ausnutzen als die jeweiligen Einfachsolarzellen.
  • Solche Mehrfachsolarmodule weisen einen höheren Wirkungsgrad auf. Deutlich über 30 Prozent sind theoretisch möglich – bei einfachen Siliziumsolarzellen etwa ist bereits bei 29 Prozent Schluss.
  • Bislang befanden sich solche Tandem-Techniken noch im Entwicklungsstadium oder wurden mit Konzentratorphotovoltaik-Systemen kombiniert. Mittlerweile sind jedoch verschiedene Techniken von Tandem-Solarzellen serienreif.

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Funktionsprinzip von Stapelsolarzellen

Eine Tandem-Solarzelle besteht aus zwei Schichten mit verschiedenen p-n-Übergängen und zählt zu den Stapelsolarzellen bzw. Mehrfachsolarzellen. In der Regel kombiniert man dabei Hochleistungszellen, die aus Halbleitermaterialien wie Galliumindiumphosphid (GaInP) mit relativ großer Bandlücke bestehen und zur Absorption energiereicher Photonen dienen, mit einer passenden Basiszelle aus z. B. Galliumindiumarsenid (GaInAs) und Germanium (Ge), die langwellige Photonen mit großer Eindringtiefe absorbiert (Topzelle und Bottomzelle).

Der Vorteil von Tandem-Solarzellen liegt dabei in geringeren Wärmeverlusten durch Überschussenergie und somit einer besseren Ausnutzung des Sonnenlichts und damit einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zur Si-Solarzelle. Problematisch ist jedoch das Zusammenspiel der unterschiedlichen Schichten einer Tandem-Solarzelle: Denn eine Solarzelle kann nur Strahlung umwandeln, deren Energie größer ist als die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials. Ist die Strahlung schwächer, entsteht kein Strom. Ist die Strahlung energiereicher, dann wird die überschüssige Strahlungsenergie in Wärme verwandelt und geht verloren.

Als Bandlücke (Bandabstand bzw. verbotene Zone) wird der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband definiert die Klassifizierung nach Leitern, Halbleitern und Isolatoren. (Grafik: energie-experten.org)
Als Bandlücke (Bandabstand bzw. verbotene Zone) wird der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband definiert die Klassifizierung nach Leitern, Halbleitern und Isolatoren. (Grafik: energie-experten.org)

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.

Herstellungsverfahren von Tandem-Solarzellen

Tandemzellen lassen sich grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten herstellen. Bei multiterminalen Strukturen werden einfach mehrere p-n-Übergänge mit separaten transparenten Kontakten mechanisch gestapelt. Bei monolithischen Strukturen werden hingegen die verschiedenen Halbleiterschichten und die darin enthaltenen Heteroübergänge übereinander gewachsen. Der mit einer monolithischen Tandemzelle erzeugte Strom unterscheidet sich nur wenig von dem normaler Heterozellen, allerdings können sehr viel größere Spannungen erzeugt werden.

Die Effizienz der Tandemzelle ist dabei abhängig von der Wahl der Bandlücken und der Gitterkonstante, die sich jeweils durch Mischung einzelner Materialien "maßschneidern" lassen. Je nach Halbleiter-Material kommen dabei unterschiedliche Herstellungstechniken zum Einsatz.

Das KIT, ZSW und imec haben ein Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten mit einer Effizienz von 17,8 Prozent entwickelt. (Foto: Karlsruher Institut für Technologie (KIT))
Das KIT, ZSW und imec haben ein Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten mit einer Effizienz von 17,8 Prozent entwickelt. (Foto: Karlsruher Institut für Technologie (KIT))

Dünnschicht-Zellen

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.

Polymer-Solarzellen

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.

Farbstoffsolarzellen

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.

Zelltechnik-Kombinationen

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.

Mögliche Halbleiter für Tandem-Kombinationen

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.

Perowskit und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid

Bei CIGS-Perowskit-Tandem-Zellen wandelt eine Perowskit-Solarzelle das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um. Die darunter liegende CIGS-Solarzelle absorbiert das Licht im infrarotnahen Spektrum, das die Perowskit-Solarzelle durchdringt.

Bereits 2015 ist es dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt gelungen, auch Tandem-Solarzellen mit einer Topzelle aus Perowskit und einer CIGS-Bottomzelle herzustellen. Die halbtransparente Perowskit-Solarzelle schluckt UV-Strahlen und den blauen Anteil des sichtbaren Lichts und verwandelt diese in Strom. Rotes Licht und Infrarot-Strahlung lässt der Kristall jedoch passieren, sodass diese Reststrahlung von der CIGS-Solarzelle in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Im September 2016 stellten Wissenschaftler des KIT, des ZSW und des belgischen Forschungsinstitutes imec ein Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten mit einer Effizienz von 17,8 Prozent vor.

Seit Juli 2019 kombinieren Forscherinnen und Forscher im Projekt „Capitano“ Dünnschichtsolarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitern mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Die Kombination ermöglicht höchsteffiziente Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgradpotenzial von über 30 Prozent bei allen Vorteilen der Dünnschicht-Technologie.

Die Basis der Perowskit-CIGS-Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle, auf die transparentes Zinndioxid abgeschieden und mit Perowskit bedeckt wurde. (Grafik: S. Albrecht / Helmholtz-Zentrum Berlin)
Die Basis der Perowskit-CIGS-Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle, auf die transparentes Zinndioxid abgeschieden und mit Perowskit bedeckt wurde. (Grafik: S. Albrecht / Helmholtz-Zentrum Berlin)

Silizium-Silizium

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.

Cadmiumtellurid und Silizium

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.

Galliumindiumarsenid und Galliumindiumphosphid

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.

Organische Oligomer-Synthese

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.

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"Funktionsprinzip und Arten von Tandem-Solarzellen" wurde am 02.09.2019 das letzte Mal aktualisiert.