Tandem-Solarzelle
Lexikon der Photovoltaik-Begriffe
Die Tandem-Solarzelle gehört zu den Multispektralzellen oder Mehrfachzellen. Sie verbindet zwei übereinander liegende Schichten solarrezeptiver Materialien, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums absorbieren und damit hohe Wirkungsgrade erreichen.
Dabei lässt die oben liegende, teiltransparente Topzelle Licht bestimmter Wellenlängen fast ungehindert durch, sodass dieses von der unteren Bottomzelle fast vollständig aufgenommen werden kann.
Tandemzellen als alternative Solarzellen
In der kurzen Geschichte der Photovoltaik wird mit immer neuen Materialien und Techniken experimentiert, um möglichst hohe Wirkungsgrade von Solarzellen und hohe Stabilität mit möglichst geringen Material- und Herstellungskosten zu verbinden. Weiterhin werden über 90% aller Solarzellen weltweit in polykristalliner Silizium-Dickschichttechnologie produziert (Stand 2011); jedoch haben konkurrierende Technologien, vor allen anderen monokristalline Technologien und die Dünnschicht-Technologie, aber auch Bifacial Solarzellen, organische Solarzellen und der Ersatz des Siliziums durch andere Materialien bereits hohe Marktanteile – besonders in Spezialanwendungen – gewonnen.
Interessante Forschungs-Ergebnisse zu alternativen Solarzellen hat das Fraunhofer Institut ISE (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg) unter anderem zur Mehrfachzelle (Stapelzelle) vorgelegt – unter diesen die Tripelzelle und die Tandemsolarzelle. Waren diese zunächst nur für Weltraumanwendungen (minimales Gewicht, minimaler Platzbedarf und hoher Wirkungsgrad bei sekundären Kostenerwägungen) interessant, kommen sie durch neue Fortschritten in der Produktion auch für terrestrische Anwendungen in Frage. Tandem-Solarzellen können in Dünnschicht-Technologie (Aufdampfen Mikrometer-dünner Schichten übereinander) wirtschaftlich in monolithischen Blöcken hergestellt werden, die in Laborversuchen mit Fresnel-Linsen (Konzentratorlinsen in leichter Bauweise, die zunehmend in Solarthermie-Kraftwerken genutzt werden) kombiniert wurden. Die Linsen bündelten das Licht bis zu einer 500-fachen Konzentration und lenkten es auf Tandem-Solarzellen, wobei die Wirkungsgrade Spitzenwerte von 42% erreichten (Stand 2010).
Materialien für Mehrfachzellen
Um die verschiedenwelligen Photonen in den einzelnen Schichten optimal aufzufangen, werden diese meist aus unterschiedlichen Halbleiter-Materialien hergestellt:
- In einer Tandemzelle z.B. Topschicht: Galliumarsenid – Bottomschicht: Germanium. Das Gallliumarsenid absorbiert energiereichere Strahlung, ist aber für wesentliche Anteile energieärmerer Strahlung durchlässig, welche die Germaniumschicht absorbiert.
- In einer Tripelzelle z.B. Topschicht: Gallium – Mediumschicht: Indium-Arsenid – Bottomschicht: Gallium-Indium-Phosphid. Auch diese Materialien sind durch ihre Absorptionseigenschaften auf die den verschiedenen spektralen Farbanteile des Sonnenlichts angepasst. In Laborversuchen erreichten sie bereits 2001 einen Wirkungsgrad von 31%. Bis 2009 konnte er durch verbesserte Verfahren auf 41,1% erhöht werden.
- In einer Kombination unterschiedlicher Siliziumqualitäten z.B. Topschicht: amorphes Silizium – Bottomschicht: mikrokristallines Silizium. Während die Topzelle Spektralfrequenzen im Bereich 400-600 nm aufnimmt, produziert die Bottomzelle Strom in den Lichtbereichen 500 – 1100 nm.
Industriereife haben diese Spezialzellen bisher nicht erreicht.
Weitere Artikel, die Sie interessieren könnten:
Photovoltaik – Solarzellen
Bifacial Solarzellen
Einspeisevergütung
Vielen Dank!
