Tandem-Solarzellen: Next Generation Photovoltaik am Start

28.04.2022 – Die Ampel-Regierung hat einen Booster für den Solarausbau beschlossen. Solarmodule werden immer leistungsfähiger. Seit Jahren steigern Forscher deren Leistungsfähigkeit mit Optimierung von Wirkungsgraden – durch Fortschritte in Forschung und Produktion. Darüberhinausgehende Wirkungsgradsteigerungen der einzelnen Bauelemente, der Solarzellen, werden aber immer schwieriger und aufwändiger. Die Effizienz der marktbeherrschenden Siliziumzellen liege bereits nahe dem praktischen Limit von rund 27 Prozent, berichten Experten.

Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) arbeitet ein Team deshalb mit der Tandem-Solartechnologie an einer weiteren Optimierung – Solarzellen mit zwei stromerzeugenden Halbleitern, deren möglicher Wirkungsgrad deutlich höher als der herkömmlicher Einfachsolarzellen ist. Je nach Materialzusammensetzung können Tandem-Solarzellen zudem leichter und flexibler sein.

Die vielversprechende Technologie will das Forscherteam nun schneller in den Markt bringen und hat dafür zwei neue leistungsfähige Beschichtungsanlagen in Betrieb genommen. Die dort hergestellten Tandemsolarzellen bestehen aus einer Perowskitsolarzelle, die mit verschiedenen anderen Solarzellentypen kombiniert werden kann. In den Anlagen werden unter hochreinen Bedingungen die verschiedenen Schichten der Solarzellen aufgebracht. Zudem können Unternehmen aus der Solarindustrie hier ihre Entwicklungen im Bereich der Tandemsolarzellen optimieren.

Die Forscher sprechen bei der Tandem-Technologie schon von der nächsten Generation der Photovoltaik „Sie bestehen aus unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarzellen“, erläutert dazu Jan-Philipp Becker, der neue Leiter des ZSW-Fachgebiets ‚Photovoltaik: Materialforschung‘. „Die Schichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle.“ Und das funktioniert so: Die obere Solarzelle wandelt das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um, die darunterliegende das Licht im infrarotnahen Spektrum. Durch die Kombination weisen die Tandemsolarzellen einen höheren möglichen Wirkungsgrad auf, der in den kommenden Jahren deutlich über die 30-Prozent-Marke steigen wird. Mittlerweile stehen mehrere Varianten von Tandemzellen zur Verfügung.

Hocheffiziente und flexible Leichtgewichte

Besonders interessant seien Tandemsolarzellen mit sogenannten Perowskit-Schichten als lichtabsorbierendem Material, berichtet das Forscherteam. Perowskite sind Materialien, die die gleiche Kristallstruktur aufweisen wie das gleichnamige natürliche Mineral. Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich und kostengünstig auf der Erde verfügbar. Als zweite absorbierende Schicht setzt das ZSW-Team auf Zellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS), aus Silizium oder erneut Perowskit, aber mit angepasstem spektralem Empfindlichkeitsbereich. Die Kombination der verschiedenen Zelltypen – Perowskit-CIGS, Perowskit-Silizium oder Perowskit-Perowskit – biete eine aussichtsreiche Möglichkeit, den Wirkungsgrad weiter deutlich zu steigern.

Erweiterte Anwendungsmöglichkeiten

Im Fall von Tandemsolarzellen mit dem Duo Perowskit-Perowskit oder Perowskit-CIGS gibt es neben der hohen Effizienz weitere Vorteile: Als Dünnschichttechnologie können die Module auch auf Kunststoff- oder Stahlfolien hergestellt werden und sind dann leichtgewichtig und flexibel. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Anwendungen über Obstplantagen, im Fahrzeugdach oder in der gebäudeintegrierten Photovoltaik.