Tandem-Solarzellen

Eine Tandem-Solarzelle besteht aus zwei Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen. Die beiden 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.

Vorteil einer Tandem-Solarzelle

Das Problem bei herkömmlichen Solarzellen ist die geringe Umsetzung des einfallenden Lichtspektrums der Sonne. Die Absorption des Sonnenlichts führt in verschiedenen Teilen des Halbleitermaterials zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren. Allerdings können nur in einer bestimmten Schicht (Raumladungszone) generierte Elektronen und Löcher einen Photostrom erzeugen. Die Eindringtiefe ist dabei von entscheidender Bedeutung, die durch Materialart und -dicke moduliert wird. Die Tandem-Solarzelle verbessert diese Situation geschickt durch die Verwendung mehrerer Materialien.

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%. Eine Steigerung auf 40% wird angestrebt.
• 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 im hauptsächlich Bereich 400 - 600 nm, die Bottomzelle (µc-Si) im Bereich 500 - 1100 nm.^[1]
  Es werden aber auch Tandem-Solarzellen mit zwei amorphen Schichten (a-Si–a-Si) hergestellt.

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. ↑ Hanna Brummack: Optimierung von driftbestimmten Solarzellen aus amorphem und nanokristallinem Silizium. Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart, Stuttgart, 2000