Tandem-Photovoltaik –
der Weg zu höheren Wirkungsgraden

©Fraunhofer ISE

Höhere Wirkungsgrade für Solarzellen und eine noch stärkere Senkung der Solarstromkosten sind Zielsetzung unserer Arbeit an der Tandem-Photovoltaik. Diese Technologie zählt zu den sich heute am schnellsten entwickelnden Solartechnologien und perspektivisch ermöglicht sie,  das begrenzende Auger-Limit von 29,4 % von Einfachsolarzellen aus Silicium zu überwinden.  Mit den zu erwartenden höheren Wirkungsgraden von Tandemsolarzellen erreicht man eine höhere Energieausbeute pro Fläche. Dies schafft Einsparpotenziale bei Solarzellen- und Modulmaterialien – ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Nachhaltigkeit der Photovoltaik.

Die erfolgreiche Forschung zur Tandem-Photovoltaik begann am Fraunhofer ISE vor über dreißig Jahren mit III-V-Mehrfachsolarzellen, mit denen mehrere Weltrekorde erzielt wurden. In jüngster Zeit führen auch neue Materialien wie Perowskite zu sehr leistungsstarken Solarzellen. Der Fokus liegt nun auf der Optimierung der vielversprechendsten Photovoltaik-Absorber, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen und die Tandem-Photovoltaik in die industrielle Produktion zu überführen.

Durch die Kombination der Kompetenz bei III-V-Halbleitern mit der langjährigen Erfahrung  in der Siliciumsolarzellen-Forschung und -Entwicklung ist das Fraunhofer ISE für die Herausforderungen der sich rasant entwickelnden Tandem-Technologie gut aufgestellt. In unserem  neuen hochmodernen Laborgebäude »Zentrum für Höchsteffiziente Solarzellen« verfügen wir über 1000 m² neuer Laborfläche, die uns hilft, unsere internationale Stellung in diesem Wettbewerbsfeld weiter zu behaupten und die Energiewende maßgeblich voranzutreiben.

Jedes photovoltaische Absorbermaterial kann nur einen begrenzten Wellenlängenbereich des Sonnenlichts optimal in Strom umzuwandeln, während die anderen Wellenlängen des Sonnenspektrums schlecht oder gar nicht genutzt werden. Dies liegt vor allem an der elektronischen Bandlücke, einer dem Material innewohnenden Eigenschaft. Daher ist der maximale Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen, die nur aus einem Material bestehen, je nach Material auf maximal etwa 30 % begrenzt.

Tandem- oder Mehrfachsolarzellen nutzen zwei oder mehr photovoltaische Absorber mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften. Durch die Kombination von Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken in einem vertikalen Tandem-Stapel kann das Sonnenspektrum wesentlich effizienter genutzt werden. Die oberen  Solarzellen in monolithischen Stapeln haben eine große Bandlücke und wandeln UV- und blaues Licht in Strom um, während die unteren Solarzellen im Stapel kleinere Bandlücken haben und das rote und IR-Licht effizient in Strom umwandeln. In der Kombination ist es möglich, viel höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Wir arbeiten ausschließlich an monolithisch integrierten Solarzellen. Diese sehen wie herkömmliche Solarzellen aus - nur ein Kontakt auf der Vorder- und einer auf der Rückseite.. Alles andere ist in die Zellstruktur integriert, um eine einfache Modulintegration zu ermöglichen.