Tandem-Photovoltaik – aus dem Labor in die Welt

Silizium-Solarzellen können maximal 29,4 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Dieses physikalische Limit hat die Photovoltaik-Industrie schon fast erreicht. Um die Effizienz von Solarzellen weiterhin zu erhöhen, wenden sich Solar-Forscherinnen und Forscher weltweit der Tandem-Photovoltaik zu. Durch die Kombination von zwei oder mehr Teilzellen aus unterschiedlichen Materialen kann ein größeres Spektrum des Sonnenlichts genutzt werden. Während die Silizium-Solarzelle vor allem den roten Anteil des Sonnenlichts effizient in Strom umwandelt, kann eine darüber liegende Teilzelle beispielsweise aus Perowskiten den blauen Anteil des Lichts besser verwerten.

In unserem Leitthema beschreiben wir die Entwicklung, die Forschungsherausforderungen und den globalen Einsatz dieser vielversprechenden Technik.

+ Stabilität und Lebensdauer der Tandem-Solarzellen und Module

Leistungsgarantien von über 80 % der Ursprungsleistung nach mehr als 25 Jahren sind Voraussetzung für ein marktfähiges Produkt, dass kostengünstigen und nachhaltigen PV-Strom garantiert. Neben der Materialstabilität der eigentlichen Solarzellen sind vor allem die Verschaltungs- und Einkapselungsprozesse  entscheidenden Faktoren für ein langlebiges Produkt.  Bei Perowskit- basierten Tandemsolarzellen sind aktuell noch materialspezifische Entwicklungen notwendig, um Degradation in der Zelle zu verhindern. Bei der Modulherstellung ist vor allem der Einkapselungsprozess entscheidend, da Perowskit-Materialien besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen sind.

+ Skalierbare und kostengünstige Produktionsverfahren

Für den Transfer von Laborzellen mit Rekordwirkungsgraden ins industrielle Umfeld sind kosteneffiziente Lösungen für die Produktionstechnologien entscheidend. Dafür evaluieren Forscherinnen und Forscher bestehende Prozesse und Anlagen aus der etablierten Silizium PV-Fertigung hinsichtlich ihrer Eignung für die Tandem Photovoltaik. Für die III/V basierten Tandemsolarzellen sind insbesondere die Entwicklung schneller Epitaxie-Prozesse sowie die Integration der Zellen in konzentrierende Module und Systeme der Schlüssel zur Marktreife. Nachhaltige Aspekte wie die Einsparung von Energie und Material spielen dabei ebenfalls eine Rolle.

+ Präzise Leistungsmessung und Analyse von Zellen und Modulen

Tandemsolarzellen und Module sind deutlich komplexer als Einfachsolarzellen aus Silizium. Das gilt nicht nur für die Herstellung,  sondern auch für die Analyse und Leistungsbestimmung. Durch die Verbindung mehrere Teilzellen müssen neue Charakterisierungsverfahren entwickelt werden, welche die Untersuchung der einzelnen Teilzellen erlaubt. Bildgebende Methoden, die eine Bewertung der einzelnen Schichten und Grenzflächen erlauben, sind für die Skalierung auf industrielle Wafergrößen notwendig, um schnelle Lernzyklen in der Entwicklung realisieren zu können. Auch die Leistungsmessung muss präzise und schnell sein, da in der industriellen Fertigung Taktzeiten von unter einer Sekunde erforderlich sind. Nur mit einer exakten Leistungsbestimmung von Zelle und Modul sind präzise Ertragsprogosen für die Nutzung in integrierten Anwendungen aber auch in großen Kraftwerken möglich. 

Jedes photovoltaische Absorbermaterial kann nur einen begrenzten Wellenlängenbereich des Sonnenlichts optimal in Strom umwandeln, während die anderen Wellenlängen des Sonnenspektrums schlecht oder gar nicht genutzt werden. Welcher Wellenlängenbereich das ist – also zum Beispiel rot, blau, grün oder infrarot – hängt von der elektronischen Bandlücke, einer dem Material innewohnenden Eigenschaft, ab. Daher ist der maximale Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen, die nur aus einem Absorber bestehen, je nach Material auf maximal etwa 30 % begrenzt.

Tandem- oder Mehrfachsolarzellen nutzen zwei oder mehr photovoltaische Absorbermaterialien mit jeweils unterschiedlichen Bandlücken. Durch die Kombination von zwei oder mehreren Solarzellen 'im Tandem' übereinander gestapelt kann das Sonnenspektrum wesentlich effizienter genutzt werden. Die oberen Solarzellen 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.

Höhere Wirkungsgrade sparen Ressourcen

Höhere Wirkungsgrade für Solarzellen – und damit eine noch stärkere Senkung der Kosten und des Ressourcenbedarfs für Solarstrom – sind das Ziel der Forschung an der Tandem-Photovoltaik. Einfachsolarzellen aus Silizium haben jetzt schon einen Wirkungsgrad um 25 % und werden ihr praktisches Limit von 27 % in den nächsten Jahren auch in der industriellen Fertigung erreichen. Höherer Wirkungsgrad bedeutet aber auch, dass eingesetzte Materialien wie das Modulglas, die Aluminiumrahmen, die Verbindungskabel und auch die Aufständerung deutlich effizienter genutzt werden. Auch die Landflächennutzung wird mit höherer Effizienz immer besser. Diese Ressourceneffizienz ist für einen Terrawatt Photovoltaik-Weltmarkt ab 2030 eine notwendige Voraussetzung.