Tandem-Solarzelle

Eine Tandem-Solarzelle (auch: Stapelsolarzelle, Mehrfachsolarzelle^[1], engl: multi-junction solar cell) besteht aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung zu erhöhen. Die Solarzellen werden dabei auf einen bestimmten Wellenlängenbereich optimiert. Zusammen wird dadurch ein breiteres Spektrum des Sonnenlichtes absorbiert als mit einer Einzelzelle, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Übertragen auf organische Solarzellen versteht man unter dem Begriff auch Kombinationen verschiedener organischer Materialien mit ebenfalls unterschiedlichem Absorptionsverhalten. Durch Dünnschicht-Technologien lässt sich das Konzept auch in einer einzelnen Solarzelle umsetzen.

Vorteil einer Tandem-Solarzelle

Schnittdarstellung durch eine Tandem-Solarzelle (a) und Frequenzbereiche der Absorption der einzelnen Schichten (b)

Das Problem bei herkömmlichen Solarzellen ist die geringe Umsetzung des einfallenden Lichtspektrums der Sonne. Der Teil des Sonnenspektrums, dessen Energie kleiner ist als diejenige der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials, kann nicht absorbiert und daher in Strom umgewandelt werden. Wird dagegen Licht mit einer Energie größer als die Bandlücke absorbiert, wird die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt (Thermalisation). Eine optimale Umwandlung erfolgt für Strahlung, deren Energie derjenigen der Bandlücke entspricht. Eine Tandem-Solarzelle kombiniert nun Solarzellen aus mehreren Materialien welche für jeweils einzelne Spektralbereiche optimale Bandlücken aufweisen.

Materialien

Für Tandem-Solarzellen können sowohl der indirekte Halbleiter Silizium als auch Kombinationen aus meist direkten III-V-Halbleitern verwendet werden. Ziel ist es, die Materialien aufeinander so abzustimmen, dass das Licht der richtigen Wellenlänge in der dafür ausgelegten Solarzellenschicht landet. Durch die Bauform kann zusätzlich dafür gesorgt werden, dass die Photonen des Sonnenlichts durch Reflexion in den jeweiligen Schichten gehalten werden (Photonen-Recycling).

• Galliumarsenid - Germanium: Während GaAs eine hohe Bandlücke hat und daher nur energiereiche Strahlung absorbiert, ist es für einen Teil der energieärmeren Strahlung durchlässig. Diese wird dann von der Germaniumschicht absorbiert.
• Gallium-Indium-Arsenid - Gallium-Indium-Phosphid: Sind von ihren spezifischen Absorptionseigenschaften den unterschiedlichen Spektralbereichen des Sonnenlichts besser angepasst und erzielen damit einen höheren Wirkungsgrad. Diese monolithischen Solarzellen erreichten 2001 einen Wirkungsgrad von 31 %, der bis 2009 auf 41,1 % gesteigert werden konnte.^[2][3]
• Silizium - Silizium: Hier werden momentan meistens Kombinationen von Schichten aus amorphen (a-Si) und mikrokristallinem (µc-Si) Silizium verwendet. Die Topzelle (a-Si) absorbiert das Licht hauptsächlich im Bereich 400 - 600 nm, die Bottomzelle (µc-Si) im Bereich 500 - 1100 nm.^[4]
  Es werden aber auch Tandem-Solarzellen mit zwei amorphen Schichten (a-Si–a-Si) hergestellt.

Forschung und Produktion

Das erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts zeigt eine Trennung von Forschung und Produktion der Solarzellentechnik. Unterstützt von der Förderung von erneuerbaren Energien der US–Obama–Regierung^[5] wurde zur Solarzellentechnologie an der Rice University geforscht und Patente angemeldet.^[6] Die Firma Stion wurde vom US-Nationallabor für erneuerbare Energien (NREL) mit Forschungsmitteln in Höhe von einer Million US-Dollar unterstützt.^[7][8] Die Firma Natcore entwickelte auf der Basis der Forschungsergebnisse Produktionsverfahren und vermittelt diese Verfahren an Solarzellenhersteller. Nach Angaben von Natcore sind mit dieser Technologie Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von „über 30%“ wirtschaftlich herstellbar.^[9] Im März 2011 wurde von Natcore ein Technologietransfer mit dem chinesischem Solarzellenhersteller TLNZ Solar Technology in Hunan beschlossen. Der Inhalt dieser Vereinbarung betrifft Tandemsolarzellen und industrielle Fertigung von schwarzem Silicium.^[10] In Deutschland wurde 2005 von Siemens das Patent "DE 10326547 (A1)" zu Tandemsolarzellen angemeldet.^[11] Seit 2007 wird von Wissenschaftlern an „Solarzellen der dritten Generation“ mit Forschungsmitteln vom Thüringer Wissenschaftsministerium gearbeitet.^[12] In der Schweiz entwickelt Oerlikon Solar an Technologien zu "Micromorph"-Tandemsolarzellen.^[13]

Anwendungen

Wegen der teuren und aufwändigen Herstellungsverfahren wurden Tandem-Solarzellen früher nur in extraterrestrischen Anwendungen (z.B. Satelliten) verwendet. Mit Konzentrator-Systemen lässt sich das Sonnenlicht bündeln, so dass nur noch ein geringer Anteil an Halbleitermaterial benötigt wird. Damit lassen sich auch effektive Photovoltaikanlagen aus Solarmodulen auf der Erde konstruieren. Diese benötigen eine mechanische Nachführung, um das mit Linsen gebündelte Sonnenlicht auf den einzelnen Solarzellen fokussiert zu lassen.

Durch die Nutzung von neuen Anlagentechnologien wurde die Herstellung der Tandem-Solarzellen auf Basis von Silizium aber auch für übliche terrestrische Anwendungen attraktiv. Es gibt Hersteller in Deutschland, Japan und den USA.

Weblinks

• Materialien zur Tandemsolarzelle, Fraunhofer ISE

Referenzen

1. ↑ Fraunhofer ISE Forscher belegen zweiten Platz beim FEE-Innovationspreis Energie - 41,1% Rekordwirkungsgrad für Solarzellen erneut prämiert Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) vom 2. März 2010
2. ↑ NREL Solar Cell Sets World Efficiency Record at 40.8 Percent Artikel des National Renewable Energy Laboratory (NREL) vom 13. August 2008
3. ↑ Weltrekord: 41,1 % Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen am Fraunhofer ISE ressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) vom 14. Januar 2009
4. ↑ Hanna Brummack: Optimierung von driftbestimmten Solarzellen aus amorphem und nanokristallinem Silizium. Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart, Stuttgart, 2000
5. ↑ Amy Myers Jaffe Enery policy in the Obama Administration (engl. eingesehen 14. Mai 2011)
6. ↑ Rice University Patentanmeldungen Europäisches Patentamt (eingesehen 14. Mai 2011)
7. ↑ Solarglobalnet „Tandem-Solarzelle erhöht Wirkungsgrad“ www.solar-global.net (eingesehen 14. Mai 2011)
8. ↑ Heise, 21. Februar 2011, Artikel „Tandem-Solarzelle erhöht Wirkungsgrad“ (eingesehen 14. Mai 2011)
9. ↑ Natcore Solar [1] (engl. eingesehen 14. Mai 2011)
10. ↑ Natcore Technology – Verkauf an TLNZ Solar Technology bei Cleantechaktien.com (eingesehen 14. Mai 2011)
11. ↑ Siemenspatent Tandemsolarzelle Patentanmeldung Europäisches Patentamt (eingesehen 14. Mai 2011)
12. ↑ Innovations Report Solarzellen der dritten Generation (eingesehen 14. Mai 2011)
13. ↑ Franz Alt, Pressetext Schweizer Käse: Design für effiziente Solarzellen (eingesehen 14. Mai 2011)