Tandem-Solarzelle

Eine Tandem-Solarzelle besteht aus mehreren übereinander montierten Solarzellen. Dabei wird ausgenutzt, dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Teile des optischen Spektrums zur Stromerzeugung nutzen. Das von der oberen Solarzelle nicht genutzte Licht kann von den darunter liegenden Zellen verarbeitet werden.

Der Begriff „Tandem-Solarzelle“ ist historisch gewachsen und hat bereits einige Neudefinitionen hinter sich. Ursprünglich war damit eine Konstruktion aus zwei übereinander gestapelten kristallinen Solarzellen gemeint. Dieses Konzept ist aber außerhalb von Laboratorien nie in die Praxis umgesetzt worden. Sehr wohl umgesetzt wurden aber Kombinationen aus kristallinen und amorphen Solarzellen. Dabei wird auf der Oberseite des Kristalls eine Schicht aus amorphem Material aufgedampft, die in einem anderen Wellenlängenbereich absorbiert. Es kann sich dabei übrigens durchaus um dasselbe Ausgangsmaterial handeln, da beispielsweise amorphes Silizium andere Wellenlängen nutzt als kristallines Silizium.

Ihr volles Potenzial schöpfen Tandem-Solarzellen aber in der reinen Dünnschichttechnologie aus. Die Zelle besteht dann aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien, von denen jede nur einige Mikrometer dick ist. Dabei gibt es auch keinen Grund mehr, sich auf zwei Schichten zu beschränken, wie es der Begriff „Tandem“ nahelegt. Oft wird daher auch von Stapelzellen gesprochen. Als die Idee der Tandem-Solarzelle entdeckt wurde, dachte auch noch niemand an organische Solarzellen. Aber ähnlich wie Dünnschichtzellen sind organische Solarzellen bestens dazu geeignet, mehrere Schichten unterschiedlicher organischer Halbleiter zu verwenden. Auch diese Photovoltaik Module, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden, werden heute oft als Tandem-Solarzellen bezeichnet.

Da möglichst das gesamte optische Spektrum in einer Tandem-Solarzelle genutzt werden soll, können zahlreiche Materialien eingesetzt werden. Nicht der Wirkungsgrad bezogen auf das gesamte Spektrum ist hier entscheidend, sondern der Wirkungsgrad im jeweiligen Wellenlängenbereich. Grundsätzlich kommen damit sehr viele Halbleiter als aktives Material infrage, der Wirkungsgrad der Gesamtzelle hängt primär von der geschickten Kombination der Materialien ab. Als geeignete Materialien haben sich chemische Verbindungen aus Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems (z.B. Aluminium, Gallium, Indium) mit Elementen aus der fünften Hauptgruppe (z.B. Phosphor, Arsen) erwiesen.

Theoretisch ist das Konzept der Tandem-Solarzelle sehr einfach und in größeren Laboraufbauten ist es auch sehr gut umsetzbar. Hier wurden bereits Wirkungsgrade von deutlich über 40 Prozent erzielt. In der Praxis tauchen jedoch Probleme auf, wenn das Konzept in einer kompakten Bauweise umgesetzt werden soll. Elektrotechnisch handelt es sich bei einer Tandem-Solarzelle um eine Reihenschaltung mehrerer Zellen.

Das führt zu denselben Problemen, mit denen auch Stränge herkömmlicher Solarzellen zu kämpfen haben, wenn beispielsweise ein Solarmodul verschattet ist und deswegen deutlich weniger Strom liefert. Kurz gesagt gilt dann, dass die schwächste Zelle die Gesamtleistung bestimmt. Dynamische Überbrückungen und andere Ausgleichsmaßnahmen sind innerhalb der gestapelten Dünnschichtzellen deutlich schwieriger zu realisieren als in einem langen Modulstrang.

Verschiedene Materialien zu Tandem-Solarzellen zu kombinieren und so den Wirkungsgrad zu steigern, ist eine sinnvolle Idee. Sie wird auch bereits erfolgreich umgesetzt, Tandem-Solarzellen werden schon kommerziell hergestellt. Die in der alltäglichen Praxis erzielbaren Wirkungsgrade sind nicht schlecht, nutzen aber das Potenzial dieser Technik längst noch nicht voll aus.