Quelltext der Seite Tandem-Solarzelle

Eine '''Tandem-Solarzelle''' (auch: '''Stapelsolarzelle''', '''Mehrfachsolarzelle''';<ref>{{Toter Link |datum=2019-05 |url=https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/archiv-unserer-presseinformationen/presseinformationen-2010/fraunhofer-ise-forscher-belegen-zweiten-platz-beim-fee-innovationspreis-energie-41-1-rekordwirkungsgrad-fuer-solarzellen-erneut-praemiert |text=Fraunhofer ISE Forscher belegen zweiten Platz beim FEE-Innovationspreis Energie – 41,1 % Rekordwirkungsgrad für Solarzellen erneut prämiert |archivebot=2019-05-17 07:28:48 InternetArchiveBot}} – Pressemitteilung des ''[[Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme|Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme]]'', am 2. März 2010.</ref> englisch: ''{{lang|en|multi-junction solar cell}}'') besteht aus zwei oder mehr [[Solarzelle]]n aus verschiedenen Materialien, die übereinander geschichtet sind. Man unterscheidet zwischen mechanisch gestapelten Tandem-Solarzellen, bei denen die Materialien voneinander getrennt sind und monolithischen Solarzellen, bei denen alle Solarzellen auf demselben Substrat aufgebaut werden. Die dem Licht zugewandte oberste Teil-Solarzelle absorbiert Licht mit einer kurzen Wellenlänge (gleichbedeutend mit einer hohen Energie) und lässt langwelligeres Licht hindurch. Die zweite darunter angeordnete Solarzelle absorbiert wiederum einen Teil des Spektrums bis zu einer Grenzwellenlänge, welche bei Halbleitern durch die sogenannte Bandlückenenergie bestimmt wird. So können grundsätzlich beliebig viele Teil-Solarzellen übereinander angeordnet werden. Zweck dieser Anordnung ist es, den [[Wirkungsgrad]] der Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom im Vergleich zu Einfachsolarzellen zu erhöhen. Dies erreicht man einerseits dadurch, dass kurzwelliges (hochenergetisches) Licht in den obersten Teil-Solarzellen eine höhere Spannung erzeugt. Andererseits kann die Absorption im langwelligeren (niederenergetischeren) Spektralbereich durch darunter angeordnete Teil-Solarzellen erweitert werden. Es wird in einer Tandem-Solarzelle also sowohl der Absortionsbereich im Vergleich zu einer Einfachsolarzelle erweitert, als auch die Effizienz der Umwandlung im kurzwelligen Spektralbereich erhöht.

Die höchsten Wirkungsgrade werden heute mit Tandem-Solarzellen aus III-V-Halbleiterverbindungen erreicht. Übertragen auf [[organische Solarzelle]]n werden unter dem Begriff auch Kombinationen verschiedener organischer Materialien mit ebenfalls unterschiedlichem Absorptionsverhalten verstanden. Neue Konzepte setzen auf die Kombination einer Si‑Unterzelle mit Teil-Solarzellen aus [[III-V-Verbindungshalbleiter|III-V-Verbindungshalbleitern]] oder Verbindungen mit [[Perowskit-Supergruppe#Perowskite mit Schichtstrukturen|Perowskiten mit Schichtstrukturen]].

== Vorteil einer Tandem-Solarzelle ==
[[Datei:StructureMJetspectre.png|mini|hochkant=2|Schnittdarstellung durch eine Tandem-Solarzelle (a) und Wellenlängenbereiche der Absorption der einzelnen Schichten (b)]]

Herkömmliche Einfachsolarzellen können das einfallende [[Lichtspektrum]] der Sonne nicht optimal nutzen. Der Teil des Sonnenspektrums, dessen [[Energie]] kleiner ist als diejenige der [[Bandlücke]] des verwendeten Halbleitermaterials, kann nicht [[Absorption (Physik)|absorbiert]] und in Strom umgewandelt werden. Wird dagegen Licht mit einer Energie größer als die Bandlücke absorbiert, wird die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt (Thermalisation). Eine optimale Umwandlung erfolgt für Strahlung, deren Energie derjenigen der Bandlücke entspricht. Eine Tandem-Solarzelle kombiniert nun Solarzellen aus mehreren Materialien, welche für jeweils einzelne Spektralbereiche optimale Bandlücken aufweisen.

== Materialien ==
Tandem-Solarzellen können sowohl indirekte Halbleiter wie [[Silizium]] oder [[Germanium]] enthalten, als auch Kombinationen aus direkten [[III-V-Halbleiter]]n, [[Perowskit-Supergruppe|Perowskiten]], amorphen oder mikroskristallinen Absorberschichten. Ziel ist es, das breitbandige Sonnenlicht in einer Kaskade von Teil-Solarzellen mit absteigender Bandlückenenergie zu absorbieren. Die oberen Teil-Solarzellen sind hierbei für das Licht, welches in den darunter liegenden Teil-Solarzellen absorbiert werden soll, transparent. Die Teil-Solarzellen sind in einer monolithischen Anordnung über [[Tunneldiode]]n seriell verschaltet und haben daher meist zwei externe Kontakte, identisch zu einer herkömmlichen Einfachsolarzelle. Bei mechanisch übereinander gestapelten Tandem-Solarzellen findet man hingegen Konfigurationen mit separaten Kontakten für jede Teil-Solarzelle. Durch geeignete Bauweise kann zusätzlich dafür gesorgt werden, dass die [[Photon]]en des Sonnenlichts durch [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] in den jeweiligen Schichten gehalten werden (Photonen-Recycling).

* [[Galliumindiumphosphid]]-[[Galliumindiumarsenid]]-[[Germanium]]: Die am weitesten verbreitete Tandem-Solarzelle besteht aus drei übereinander gestapelten Teil-Solarzellen aus GaInP, GaInAs und Ge. Solche Solarzellen finden zum Beispiel Anwendung zur Stromversorgung von [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]], aber auch in [http://www.iii-v.de/ Konzentrator-PV]-Kraftwerken. Diese monolithischen Solarzellen erreichten 2001 einen Wirkungsgrad von 31 %, der bis 2009 auf 41,1 % gesteigert werden konnte.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.nrel.gov/news/press/2008/625 |wayback=20150907003428 |text=NREL Solar Cell Sets World Efficiency Record at 40.8 Percent}} (englisch) – ''[[National Renewable Energy Laboratory]]'', am 13. August 2008.</ref><ref>{{Toter Link |datum=2019-05 |url=https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/archiv-unserer-presseinformationen/presseinformationen-2009/weltrekord-41-1-wirkungsgrad-fuer-mehrfachsolarzellen-am-fraunhofer-ise |text=Weltrekord: 41,1 % Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen am Fraunhofer ISE |archivebot=2019-05-17 07:28:48 InternetArchiveBot}} – ''Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme'', am 14. Januar 2009.</ref>
* Galliumindiumphosphid-Galliumarsenid-Galliumindiumarsenidphosphid-Galliumindiumarsenid: Vierfachsolarzellen aus diesen III-V-Halbleitern (abgekürzt GaInP, GaAs, GaInAsP, GaInAs) erreichen 46,1 % Wirkungsgrad bei 312-facher Konzentration des Sonnenlichts<ref>{{Literatur |Autor=Frank Dimroth, Thomas N. D. Tibbits, Markus Niemeyer, Felix Predan, Paul Beutel, Christian Karcher, Eduard Oliva, Gerald Siefer, David Lackner, Peter Fuß-Kailuweit, Andreas W. Bett, Rainer Krause, Charlotte Drazek, Eric Guiot, Jocelyne Wasselin, Aurélie Tauzin, Thomas Signamarcheix |Hrsg=IEEE Journal of Photovoltaics |Titel=Four-Junction Wafer Bonded Concentrator Solar Cells |Band=Vol. 6 |Nummer=1 |Datum=2016 |Seiten=343}}</ref>.
* Silizium-Silizium: Hier werden momentan meistens Kombinationen von Schichten aus [[amorph]]en (a-Si) und mikrokristallinem (µc-Si) Silizium verwendet. Die Topzelle (a-Si) absorbiert das Licht hauptsächlich im Bereich 400 bis 600&nbsp;[[Nanometer|nm]], die Bottomzelle (µc-Si) im Bereich 500 bis 1100&nbsp;nm.<ref>''Hanna Brummack'': Optimierung von driftbestimmten Solarzellen aus amorphem und nanokristallinem Silizium. ''[https://www.ipe.uni-stuttgart.de/ Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart]'', Stuttgart, 2000.</ref> Es werden aber auch Tandem-Solarzellen mit zwei amorphen Schichten (a-Si–a-Si) hergestellt.
* Galliumindiumphosphid-Galliumarsenid-Silizium: Neueste Entwicklungen erlauben es, III-V-Solarzellen mit Silizium-Solarzellen zu verbinden. Hier wurden Wirkungsgrade von 30,2 % unter dem AM1.5g Sonnenspektrum ohne Konzentration erreicht<ref>{{Internetquelle |url=https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2016/30-2-prozent-2013-neuer-rekordwert-fuer-siliciumbasierte-mehrfachsolarzelle.html |titel=30,2 Prozent – neuer Rekordwert für siliciumbasierte Mehrfachsolarzelle |hrsg=Fraunhofer ISE |datum=2016-11-09 |sprache=de |abruf=2016-11-15}}</ref>.

== Forschung und Produktion ==
Im November 2012 betrug der Effizienz-Weltrekord für Mehrfachsolarzellen 44 %.<ref>''Solar Cell Efficiency Tables.'' [http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2352/pdf onlinelibrary.wiley.com] (englisch; eingesehen am 6. Februar 2013.)</ref> Das erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts zeigt eine Trennung von Forschung und Produktion der Solarzellentechnik. Die Firma Stion wurde vom US-Nationallabor für erneuerbare Energien ([[National Renewable Energy Laboratory|NREL]]) mit Forschungsmitteln in Höhe von einer Million US-Dollar unterstützt.<ref>Solarglobalnet [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Tandem-Solarzelle-erhoeht-Wirkungsgrad-1193449.html ''Tandem-Solarzelle erhöht Wirkungsgrad.''] www.solar-global.net (eingesehen am 14. Mai 2011.)</ref><ref>Heise, 21. Februar 2011, Artikel [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Tandem-Solarzelle-erhoeht-Wirkungsgrad-1193449.html ''Tandem-Solarzelle erhöht Wirkungsgrad.''] (eingesehen am 14. Mai 2011.)</ref> Die Firma Natcore entwickelte auf der Basis der Forschungsergebnisse Produktionsverfahren und vermittelt diese Verfahren an Solarzellenhersteller. Nach Angaben von Natcore sind mit dieser Technologie Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von ''über 30 %'' wirtschaftlich herstellbar.<ref>Natcore Solar {{Webarchiv |url=http://www.natcoresolar.com/portal/index.php?option=com_content&view=article&id=46&Itemid=69 |wayback=20110322130207 |text=Archivierte Kopie |archiv-bot=2019-05-17 07:28:48 InternetArchiveBot}} (englisch; eingesehen am 14. Mai 2011.)</ref> Im März 2011 wurde von Natcore ein [[Technologietransfer]] mit dem chinesischen Solarzellenhersteller TLNZ Solar Technology in [[Hunan]] beschlossen. Der Inhalt dieser Vereinbarung betrifft Tandemsolarzellen und industrielle Fertigung von [[Schwarzes Silicium|schwarzem Silicium]].<ref>{{Webarchiv |url=http://www.cleantechaktien.com/?p=797 |wayback=20141129081331 |text=''Natcore Technology – Verkauf an TLNZ Solar Technology.'' |archiv-bot=2019-05-17 07:28:48 InternetArchiveBot}} bei Cleantechaktien.com (eingesehen am 14. Mai 2011)</ref> Siemens meldete im Jahr 2005 eine Tandemsolarzelle zum Patent an.<ref>{{Patent| Land=DE| V-Nr=10326547| Code=A1| Typ=Patentanmeldung| Titel=Tandemsolarzelle mit einer gemeinsamen organischen Elektrode| A-Datum=2003-06-12| V-Datum=2005-01-05| Anmelder=Siemens AG| Erfinder=Christoph Brabec et al}}</ref> Seit 2007 wird von Wissenschaftlern an ''Solarzellen der dritten Generation'' mit Forschungsmitteln des Thüringer Wissenschaftsministeriums gearbeitet.<ref>Innovations Report [https://www.innovations-report.de/html/berichte/physik_astronomie/bericht-80704.html ''Solarzellen der dritten Generation.''] (eingesehen am 14. Mai 2011.)</ref> In der Schweiz entwickelte die [[OC Oerlikon|Oerlikon Solar]] bis ca. 2012<ref>{{Internetquelle |autor=[[OC Oerlikon|Oerlikon Group]] |url=https://www.oerlikon.com/en/company/media/press-releases/oerlikon-completed-the-sale-of-its-solar-segment/ |titel=Oerlikon Completed the Sale of its Solar Segment |datum=2012-11-27 |sprache=en |abruf=2022-12-20}}</ref> Technologien und Produktionsanlagen zu ''"Micromorph-Tandem-Solarzellen"''.<ref>{{Internetquelle |autor=[[OC Oerlikon|Oerlikon Group]] |url=https://www.oerlikon.com/en/company/media/press-releases/oerlikon-solar-introduces-production-solutions-for-technologically-advanced-micromorph-tandem-modules/ |titel=Oerlikon Solar introduces production solutions for technologically advanced micromorph tandem modules |datum=2007-09-03 |sprache=en |abruf=2022-12-20}}</ref> 2015 ist es dem [[Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie|Helmholtz-Zentrum Berlin]] (HZB) und der [[Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt|Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt]] gelungen, [[Solarzelle#Perowskit-Solarzellen|Perowskit-Silizium-Tandemzelle]]n herzustellen, mit einer Topzelle aus Verbindungen  mit [[Perowskit-Supergruppe#Kristallstruktur|Perowskit-Struktur]] und einer Silizium-Bottomzelle.<ref>Albrecht et al.: ''Energy Environ. Sci.'' 2015 https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/EE/c5ee02965a#!divAbstract</ref> Dem HZB ist 2022 ein neuer Weltrekord mit 32,5 % Wirkungsgrad gelungen.<ref>{{Internetquelle |autor=[[Helmholtz-Zentrum Berlin]] für Materialien und Energie |url=https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=24348&sprache=de&seitenid=73236 |titel=Wieder Weltrekord am HZB: Tandemsolarzelle schafft 32,5 Prozent Wirkungsgrad |hrsg=HZB |datum=2022-12-19 |sprache=de-DE |abruf=2022-12-20}}</ref>

== Anwendungen ==
Wegen der teuren und aufwändigen Herstellungsverfahren wurden Tandem-Solarzellen früher nur in [[extraterrestrisch]]en Anwendungen (z.&nbsp;B. [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]]) verwendet. Mit [[Konzentrator]]-Systemen lässt sich das Sonnenlicht bündeln, so dass nur noch ein geringer Anteil an Halbleitermaterial benötigt wird. Damit lassen sich auch effektive [[Photovoltaikanlage]]n aus [[Solarmodul]]en auf der Erde konstruieren. Diese benötigen eine mechanische [[Tracking (Spurverfolgung)|Nachführung]], um das mit [[Linse (Optik)|Linsen]] gebündelte Sonnenlicht auf den einzelnen Solarzellen [[fokus]]siert zu lassen.

Durch die Nutzung von neuen Anlagentechnologien wurde die Herstellung der Tandem-Solarzellen auf Basis von Silizium aber auch für übliche terrestrische Anwendungen attraktiv. Es gibt Hersteller in Deutschland, Japan und den USA.

== Weblinks ==
* [https://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/photovoltaik/neuartige-photovoltaik-technologien/tandemsolarzellen-auf-kristallinem-silicium.html Materialien zur Tandemsolarzelle, Fraunhofer ISE]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Solarzellentyp]]