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Tandem-Solarzelle

 
 

Photovoltaik! Und gleich noch einmal!

Foto: TheDyesolKid
CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

In der Tandem-Solarzelle liegen zwei Solarzellen übereinander, dabei wird das einfallende Licht gleich doppelt genutzt:

  • Die oben liegende, teiltransparente Topzelle schöpft das Licht bestimmter Wellenlängen fast vollständige ab, lässt aber das Licht anderer Wellenlängen beinahe ungehindert hindurch,
  • die unten liegende Bottomzelle nimmt wiederum das dort noch fruchtbringende Licht des bisher ungenutzten Teils des Spektrums auf.

Damit gehört die Tandem-Solarzelle zu den Multispektral- bzw. Mehrfach- oder Stapelzellen.
In diesen werden übereinander liegende Schichten solarrezeptiver Materialien verbunden, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums absorbieren und damit hohe Wirkungsgrade erreichen.

Tandemzellen als alternative Solarzellen

In 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. Jedoch haben konkurrierende Technologien, vor allen anderen monokristalline Technologien und die Dünnschicht-Technologie, aber auch Bifaziale Solarzellen, organische Solarzellen und der Ersatz des Siliziums durch andere Materialien bereits einige Marktanteile in Spezialanwendungen - gewonnen.

Interessante Forschungs-Ergebnisse - und regelmäßige Wirkungsgrad-Rekorde - zu alternativen Solarzellen legt regelmäßig das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg vor. Unter diesen: Tandem- und Tripelzellen.

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 31,3% erreichten (Stand Frühjahr 2018, vgl. diese Information der ISE).
Die III-V-Konzentrator-Mehrfachzelle des Fraunhofer ISE hält mit 46,1% sogar den absoluten Wirkungsgrad-Weltrekord.

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.

Für typische Aufdach- oder Freilandanlagen sind diese Solarzellen allerdings zu teuer - sie sind, abgesehen vom Forschungsinteresse, nur für Spezialanwendungen geeignet (Satelliten etc.), die fern vom Alltag der Solarstrom-Produktion auf deutschen Dächern eingesetzt werden.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Photovoltaik! Und gleich noch einmal!

Foto: TheDyesolKid
CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

In der Tandem-Solarzelle liegen zwei Solarzellen übereinander, dabei wird das einfallende Licht gleich doppelt genutzt:

  • Die oben liegende, teiltransparente Topzelle schöpft das Licht bestimmter Wellenlängen fast vollständige ab, lässt aber das Licht anderer Wellenlängen beinahe ungehindert hindurch,
  • die unten liegende Bottomzelle nimmt wiederum das dort noch fruchtbringende Licht des bisher ungenutzten Teils des Spektrums auf.

Damit gehört die Tandem-Solarzelle zu den Multispektral- bzw. Mehrfach- oder Stapelzellen.
In diesen werden übereinander liegende Schichten solarrezeptiver Materialien verbunden, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums absorbieren und damit hohe Wirkungsgrade erreichen.

Tandemzellen als alternative Solarzellen

In 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. Jedoch haben konkurrierende Technologien, vor allen anderen monokristalline Technologien und die Dünnschicht-Technologie, aber auch Bifaziale Solarzellen, organische Solarzellen und der Ersatz des Siliziums durch andere Materialien bereits einige Marktanteile in Spezialanwendungen - gewonnen.

Interessante Forschungs-Ergebnisse - und regelmäßige Wirkungsgrad-Rekorde - zu alternativen Solarzellen legt regelmäßig das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg vor. Unter diesen: Tandem- und Tripelzellen.

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 31,3% erreichten (Stand Frühjahr 2018, vgl. diese Information der ISE).
Die III-V-Konzentrator-Mehrfachzelle des Fraunhofer ISE hält mit 46,1% sogar den absoluten Wirkungsgrad-Weltrekord.

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.

Für typische Aufdach- oder Freilandanlagen sind diese Solarzellen allerdings zu teuer - sie sind, abgesehen vom Forschungsinteresse, nur für Spezialanwendungen geeignet (Satelliten etc.), die fern vom Alltag der Solarstrom-Produktion auf deutschen Dächern eingesetzt werden.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Photovoltaik! Und gleich noch einmal!

Foto: TheDyesolKid
CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

In der Tandem-Solarzelle liegen zwei Solarzellen übereinander, dabei wird das einfallende Licht gleich doppelt genutzt:

  • Die oben liegende, teiltransparente Topzelle schöpft das Licht bestimmter Wellenlängen fast vollständige ab, lässt aber das Licht anderer Wellenlängen beinahe ungehindert hindurch,
  • die unten liegende Bottomzelle nimmt wiederum das dort noch fruchtbringende Licht des bisher ungenutzten Teils des Spektrums auf.

Damit gehört die Tandem-Solarzelle zu den Multispektral- bzw. Mehrfach- oder Stapelzellen.
In diesen werden übereinander liegende Schichten solarrezeptiver Materialien verbunden, die unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums absorbieren und damit hohe Wirkungsgrade erreichen.

Tandemzellen als alternative Solarzellen

In 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. Jedoch haben konkurrierende Technologien, vor allen anderen monokristalline Technologien und die Dünnschicht-Technologie, aber auch Bifaziale Solarzellen, organische Solarzellen und der Ersatz des Siliziums durch andere Materialien bereits einige Marktanteile in Spezialanwendungen - gewonnen.

Interessante Forschungs-Ergebnisse - und regelmäßige Wirkungsgrad-Rekorde - zu alternativen Solarzellen legt regelmäßig das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg vor. Unter diesen: Tandem- und Tripelzellen.

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 31,3% erreichten (Stand Frühjahr 2018, vgl. diese Information der ISE).
Die III-V-Konzentrator-Mehrfachzelle des Fraunhofer ISE hält mit 46,1% sogar den absoluten Wirkungsgrad-Weltrekord.

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.

Für typische Aufdach- oder Freilandanlagen sind diese Solarzellen allerdings zu teuer - sie sind, abgesehen vom Forschungsinteresse, nur für Spezialanwendungen geeignet (Satelliten etc.), die fern vom Alltag der Solarstrom-Produktion auf deutschen Dächern eingesetzt werden.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung