Tandem Solarzellen

Die derzeit am häufigsten hergestellten Solarzellen sind Solarzellen aus Silizium mit einem photoaktiven p-n–Übergang, im Folgenden als Einfach-Solarzellen bezeichnet. Aufgrund großer Fortschritte in der Forschung ist der theoretische maximale Wirkungsgrad solcher Zellen beinahe ausgeschöpft. Tandem-Solarzellen können diese Grenze überwinden, indem sie mehrere Arten von Solarzellen miteinander kombinieren. So lassen sich durch geschickte Platzierung deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen, sodass mehr Solarstrom gewonnen werden kann. 

Aufbau und Funktionsweise von Tandem-Solarzellen

Tandem-Solarzellen bestehen aus mindestens zwei, teilweise auch mehreren übereinander geschichteten Einfach-Solarzellen. Sie werden auch Stapelsolarzellen oder Mehrfachsolarzellen genannt. Per Definition besteht eine Tandem-Solarzelle 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. 

Was sind III-V-Verbindungshalbleiter? 

Die römischen Zahlen III und V bezeichnen Elementgruppen im Periodensystem. In der Gruppe III finden sich die Elemente Aluminium, Gallium, Indium und Bor, die Gruppe V umfasst Stickstoff, Phosphor, Arsenid und Antimonid. III-V-Verbindungshalbleiter sind Halbleiter, die aus Salzen und Mischverbindungen dieser Elemente bestehen. 

Das grundlegende Prinzip von Tandem-Solarzellen ist einfach: Eine Einfach-Solarzelle kann jeweils nur einen bestimmten Teil des Lichtspektrums zur Stromerzeugung nutzen. Dieser ist abhängig vom gewählten Material. Jenseits dieses nutzbaren Teils gibt es zum einen Licht mit langer Wellenlänge, dessen Energie so niedrig ist, dass daraus kein Strom gewonnen werden kann; zum anderen Licht mit kurzer Wellenlänge, dessen Energie so hoch ist, dass ein Teil in Wärme umgewandelt wird, das für die Stromerzeugung jedoch ebenfalls verloren ist. 

Durch die Kombination unterschiedlicher Materialien in Tandem-Solarzellen soll ein größerer Teil des Lichtspektrums genutzt werden. Dazu müssen die Teil-Solarzellen so geschichtet werden, dass die oberste Schicht einen Teil des Sonnenlichts absorbiert, das restliche Licht jedoch durch die Zelle hindurch und nacheinander auf die Teil-Solarzellen fällt. 

Damit das möglich ist, sind die einzelnen Solarzellen teilweise transparent. Sie müssen außerdem sehr geschickt angeordnet werden, sodass genau die Teile des Lichtspektrums weiter in die tieferen Schichten dringen, die nicht von den vorherigen Schichten absorbiert werden können. Genau darauf konzentriert sich derzeit die Forschung im Bereich Tandem-Solarzellen: die perfekte Anordnung, um den größtmöglichen Lichtwellenlängenbereich nutzbar zu machen. 

Arten und Herstellung von Tandem-Solarzellen

Theoretisch könnten beliebig viele Teil-Solarzellen zu Tandem-Solarzellen kombiniert werden, sodass diese nach und nach einen großen Teil des Spektrums des einfallenden Lichts in Solarstrom umwandeln können. Insbesondere die Dünnschicht-Technologie  macht es möglich, dass Schichten unterschiedlicher Materialien hauchdünn aufgedampft werden. So entstehen leichte Tandem-Solarzellen, die auch in der Herstellung relativ günstig sind. 

Um mehrere Teil-Solarzellen zu einer Tandem-Solarzelle zusammenzusetzen, gibt es zwei Hauptverfahren: die mechanische Stapelung und den monolithischen Aufbau. Bei der mechanischen Stapelung werden die verschiedenen Halbleiterschichten getrennt voneinander übereinandergestapelt. Jede Solarzelle ist ‒ wie eine Einfach-Solarzelle ‒ mit zwei elektrischen Kontakten ausgestattet und bleibt so als einzelne Einheit bestehen. Mit dem monolithischen Verfahren werden die Schichten hingegen alle auf demselben Substrat aufgebaut. Die entstehende Tandem-Solarzelle hat insgesamt nur zwei Kontakte und bildet als Ganzes eine Einheit. 

In der Regel absorbiert die oben liegende Schicht Licht mit kurzer Wellenlänge und hoher Energie, während langwelliges Licht durch die transparenten Bereiche fällt und von unterliegenden Teil-Solarzellen absorbiert wird. Reflexionsschichten an der Rückseite der Zellen verstärken den Effekt zusätzlich: Sie verhindern, dass Photonen an der Rückseite austreten. Stattdessen werden diese in die Zelle reflektiert und so länger in den jeweiligen Schichten gehalten, was den Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen zusätzlich erhöht. 

Beispiele für aktuell vielversprechende Tandem-Solarzellen

Die folgenden Elementverbindungen werden derzeit intensiv erforscht und unter Laborbedingungen getestet: 

• Gallium-Indium-Phosphid-Gallium-Indium-Arsenid-Germanium: Diese Tandem-Solarzellen bestehen aus drei Teil-Solarzellen und haben unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von über 40 % erreicht. Eingesetzt werden sie bereits in der Satellitentechnik.
• Gallium-Indium-Phosphid-Gallium-Arsenid-Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid-Gallium-Indium-Arsenid: Diese Vierfach-Solarzellen erreichten unter im Labor konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von ganzen 46,1 %. 
• Silizium-Silizium-Tandem-Solarzellen: Meist werden Silizium-Solarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium verbunden. Es gibt jedoch auch Tandem-Solarzellen mit mehreren Schichten aus amorphem Silizium.
• Dünnschichttechnologie: Mit Dünnschicht-Verfahren lassen sich mehrere unterschiedliche Materialschichten mit einer Dicke von jeweils nur wenigen Mikrometern kombinieren.
• Organische Solarzellen: Organische Materialien, die zu Solarzellen verarbeitet werden können, lassen sich aufgrund ihrer guten Verarbeitungseigenschaften in flüssiger Form auf das Substrat drucken oder sprühen.

Die genannten Ergebnisse hinsichtlich des Wirkungsgrads von Tandem-Solarzellen wurden unter Laborbedingungen erreicht. Wichtiger sind natürlich die Ergebnisse in der Praxis. Forscher des Helmholtz-Zentrums in Berlin hielten fast ein Jahr lang den Weltrekord mit einer Tandem-Solarzelle, die zum Teil aus Perowskit bestand und unter Standardbedingungen (bei einer Temperatur von 25 Grad, einer Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m² und einer Atmosphärendicke von 1,5) einen Wirkungsgrad von 29,15 % erreichte. Getoppt wurde dieses Ergebnis noch von Oxford PV, einem britischen Hersteller, der mit Tandem-Solarzellen den Wirkungsgrad auf 29,52 % steigerte.

Tandem-Solarzellen kaufen – erst in der Zukunft möglich

Tandem-Solarzellen könnten aufgrund ihrer hohen Wirkungsgrade einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Derzeit ist es aber für Privatpersonen noch nicht möglich oder sinnvoll, Tandem-Solarzellen zu kaufen. Die Technologie muss erst noch ausreifen. 

Insbesondere der schnelle Leistungsverlust ist problematisch – die Langzeitstabilität, die bei gängigen kristallinen Solarzellen 30 und mehr Jahre betragen kann, ist noch nicht gegeben. Auch die Schaltung stellt aufgrund der Schichtung ein Problem dar: Schon kleine Verschattungen führen dazu, dass die Leistung der gesamten Tandem-Solarzelle in Mitleidenschaft gezogen wird. 

Fazit: Derzeit sind Tandem-Solarzellen noch keine Alternative für Hausbesitzer, die eine Photovoltaikanlage auf dem Dach installieren wollen. Mit fortschreitender Forschung könnten sie jedoch eine Möglichkeit sein, Dachfläche noch effizienter zu nutzen und vor allem den für Einfach-Solarzellen maximal möglichen Wirkungsgrad zu überbieten.