Tandem-Solarzellen: Aufbau, Funktion, Nachteile, Marktreife

Tandem-Solarzellen nehmen ein großes Spektrum des Sonnenlichts auf und erzielen dadurch höhere Wirkungsgrade. Dafür werden zwei Teil-Solarzellen aufeinandergestapelt. In diesem Artikel erfahren Sie alles über Tandem-Solarzellen, vom Aufbau über die Funktion bis zu den Vor- und Nachteilen.

Was sind Tandem-Solarzellen? 

Tandem-Solarzellen sind photovoltaische Bauelemente, die zwei Teil-Solarzellen übereinander stapeln. Diese Zellen fangen mehr Sonnenlicht ein und erzeugen eine höhere elektrische Leistung als herkömmliche Zellen. Damit sind Tandem-Solarzellen eine Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen und ein Ansatz, um höhere Wirkungsgrade zu erreichen.

Wie sind Tandem-Solarzellen aufgebaut und wie funktionieren sie? 

Tandem-Solarzellen erhöhen die Effizienz der Energieumwandlung, indem sie mehrere Solarzellenmaterialien übereinander stapeln. Sie kombinieren verschiedene Solarzellenpaneele übereinander, wie Silizium-Zellen mit Perowskit-Solarzellen. Dadurch wird ein breites Lichtspektrum einfangen und mehr Strom produziert. Das verbessert den Wirkungsgrad, da aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Strom erzeugt wird. 

Bei der Tandemzelle wird eine a-SiGe-Schicht auf die a-Si-Absorberschicht aufgebracht. Diese Legierung hat eine Bandlücke zwischen 1,4 und 1,7 Elektronenvolt (eV), je nach dem Anteil der Germaniumatome. Das einfallende Licht wird je nach Wellenlänge in unterschiedlichen Tiefen der Zelle absorbiert.

Tandem-Solarzellen zielen darauf ab, überschüssige Energie von hochenergetischen Photonen einzufangen und Transparenz für niederenergetische Photonen zu schaffen. Sie bestehen aus p-n-Übergängen, die jeweils aus einem anderen Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlückenenergie bestehen. Jeder Übergang reagiert auf einen bestimmten Teil des Sonnenspektrums, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt. Durch Stapeln der Zellen in der Reihenfolge der abnehmenden Bandlücke wird das Licht gefiltert, da jede Zelle Photonen einfängt, die ihre Bandlücke überschreiten:

• Blaues, kurzwelliges Licht mit über 1,7 eV wird nur in der ersten Pin-Zelle absorbiert;
• Rotes, langwelliges Licht wird nur in der unteren Zelle absorbiert, da die obere Stiftzelle transparent ist.

Die Herstellung einer Tandem-Solarzelle ist eine Herausforderung. Sie kombiniert Materialien, die gut zusammenarbeiten und ein breites Spektrum an Sonnenenergie einfangen müssen. Aktuell werden mehrere Elementverbindungen erforscht. 

Welchen Wirkungsgrad erreichen Tandem-Solarzellen? 

Tandem-Solarzellen erreichen in der Praxis einen Wirkungsgrad von rund 30 %. Das fand das Forschungsteam der Polytechnischen Hochschule Lausanne im Jahr 2022 heraus. Unter Laborbedingungen erreichen Tandem-Solarzellen aus vier verschiedenen Teil-Solarzellen einen Wirkungsgrad von über 45 %. 

Im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Solarzellen ist es ein deutlicher Effizienzzuwachs, wie die folgende Tabelle zeigt. 

Sind Tandem-Solarzellen marktreif? 

Tandem-Solarzellen werden in Satelliten eingesetzt, sind für die Massenproduktion jedoch nicht marktreif. Wichtig für die Marktreife ist die Skalierbarkeit und Langlebigkeit. Besonders die Skalierbarkeit stellt eine Herausforderung für Hersteller dar. In puncto Langlebigkeit gingen die meisten Fortschritte zulasten der Effizienz.

Welche Vor- und Nachteile haben Tandem-Solarzellen? 

Tandem-Solarzellen haben viele Vorteile. Sie sind effizienter, das heißt aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Strom erzeugt wird. Durch die höhere Energieproduktion auf der gleichen Fläche sinkt der Platzbedarf für PV-Anlagen - und entsprechend der Installations- und Wartungsaufwand.

Tandem-Solarzellen haben Potenzial, aber bisher auch einige Nachteile. Die Herstellung ist aufgrund der Schichtung und der technischen Anforderungen noch komplex und teuer. 

Zudem sind bestimmte Materialien in Tandem-Solarzellen empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Feuchtigkeit und Hitze beeinträchtigen Modulleistung, sodass bessere Verkapselungstechniken erforderlich sind. Die Herausforderung besteht darin, die langfristige Stabilität dieser Materialien zu gewährleisten, was sich letztlich auf die Lebensdauer der Zellen auswirkt.

Gibt es bereits Hersteller, die Tandem-Solarmodule produzieren? 

Aktuell produzieren keine Hersteller von Solarzellen mit der Tandem-Technologie. QCells, ein Unternehmen mit Sitz in Südkorea und Entwicklungsbüros in Deutschland, positioniert sich als zukünftiger Hersteller und Vorreiter. So hat QCells in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin eine Tandem-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 28,7% vorgestellt. Beide Partner halten diese Zelle für massentauglich.

Was kostet die Herstellung der Tandem-Solarzellen?

Die Kosten für die Tandem-Solarzelle sind derzeit nicht bekannt. Ohne Marktreife und Massenproduktion ist kein Preis bestimmbar. Die Tandem-Solarzelle muss jedoch auf dem Markt erschwinglich sein, um sich durchzusetzen. Ein höherer Preis für einen höheren Wirkungsgrad ist gerechtfertigt, für den Markterfolg sollte dieser aber nicht deutlich über dem der monokristallinen Solarzellen liegen.

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