Tandem Solarzellen: Was bringt die Zukunft?
Die Photovoltaikanlage als nachhaltige Variante zur Energieversorgung erhält nicht erst seit der konstanten Anhebung der Strompreise größere Beliebtheit. Sehr zum Vorteil der notwendigen Energiewende finden sich die vielfältig einsetzbaren Solarmodule auf Hausdächern, an Fassaden und Balkonen, im Garten sowie auf dem Camper oder dem Carport wieder. So unterschiedlich die Varianten auch sind, eines haben die Solarpanels alle gemein: sie bestehen aus einzelnen Solarzellen. Diese fangen die auftreffenden Lichtstrahlen ein und wandeln sie in elektrische Energie als Gleichstrom um. Ohne Solarzellen ist die Produktion von Solarstrom nicht möglich. Daher sind die wichtigen Komponenten ein stetiger Gegenstand der Solarforschung, um die Leistung mittels Materialanpassung oder Veränderungen im Aufbau zu erhöhen. Erst im letzten Jahr gelangten Forscherteams wohl ein Durchbruch in der Entwicklung von Tandem Solarzellen, die einen neuen Meilenstein für Photovoltaikmodule setzen könnte.
Warum den Wirkungsgrad erhöhen?
Der Wirkungsgrad zeigt, wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie von den Solarzellen tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Fläche, Leistung der Solarzelle sowie die Einstrahlungsleistung des Sonnenlichts sind für den Wirkungsgrad die bestimmenden Faktoren. Da die Einstrahlungsleistung kaum/nicht beeinflussbar ist und auch die Fläche vor allem im Privatgebrauch limitiert ist, wird über die erhöhte Leistung der Solarzelle versucht, den Wirkungsgrad zu erhöhen und Solar effizienter zu gestalten.
So funktioniert eine Solarzelle
Die Solarzelle besteht aus je einem durch Kabel verbundenen Metallkontakten an der Ober- bzw. Unterseite sowie drei Schichten:
- n-dotierte Siliziumschicht: Durch geringe Zugabe von Fremdatomen (Phosphor) sind die Atome hier gesättigt, freie Elektronen befinden sich in der Schicht und sorgen für eine negative Ladung.
- p-dotierte Siliziumschicht: Diese ist durch die Zugabe von ungesättigten Fremdatomen (Bor) positiv geladen, die sogenannte “Löcher” in der Struktur zurücklassen.
- p-n-Übergang: Die freien Elektronen der n-Dotierung wandern zu den “Löchern” der p-Dotierung und es entstehen gesättigte Atome. Diese Elektronenbewegung lässt ein internes elektrisches Feld sowie die Grenzschicht entstehen.
Die zugeführte Energie in Form von Sonnenlicht löst die Elektronen aus den “Löchern” der (Bor-)Atome und wandert zur ungesättigten n-Schicht. Die angeschlossenen und miteinander verbundenen Metallkontakte leiten die Elektronen ab und stellen einen elektrischen Stromkreis her. Solange Sonnenlicht zugeführt wird, wandern die Elektronen unendlich durch die Solarzelle, sodass konstant Solarstrom (Gleichstrom) produziert wird. Erst wenn kein Sonnenlicht mehr auftrifft, verbinden sich die “Löcher” mit den freien Elektronen und die Ladungswanderung kommt zum Stillstand.
Arten von Solarzellen - Das ist bisher am Markt
Wie bereits am Aufbau erklärt, werden Solarzellen zum Großteil mit dem Hauptakteur Silizium produziert. Das hat vor allem den Grund, dass industrielles Silizium aus Quarzsand (oder Quarzkies) besteht und somit vergleichsweise leicht herzustellen ist. Dennoch gibt es unterschiedliche Arten von Solarzellen, die sich in ihrem Wirkungsgrad, der Herstellung und Haltbarkeit sowie den damit verbundenen Kosten unterscheiden.
Monokristalline Siliziumzellen
Diese kristallinen Solarzellen bestehen aus einem aufwendig industriell gezüchteten Siliziumkristall, der in dünne Scheiben geschnitten wird. Deshalb sind monokristalline Siliziumzellen im Vergleich zu anderen Typen teuer. Aber sie besitzen ca. 17-23% den höchsten Wirkungsgrad und eignen sich besonders gut, kleine Flächen optimal auszunutzen. Zudem besitzt diese Art eine Lebensdauer von ca. 25 – 30 Jahren. Die Solarzellen werden auf einem stabilen Unterbau installiert.
Polykristalline Siliziumzellen
Ebenfalls aus der Familie der kristallinen Solarzellen ist dieser Typ im Vergleich zur ersten Variante mit einem geringeren Aufwand in der Herstellung verbunden und besteht aus verschieden großen Siliziumkristallen. Durch die unregelmäßige Struktur ist der Wirkungsgrad geringer und liegt zwischen 15-20%. Die polykristallinen Siliziumzellen sind günstiger als monokristalline Solarzellen, benötigen allerdings für den gleichen Ertrag mehr Fläche. In einer Lebensdauer von ca. 25-30 Jahren und einem festen Aufbau unterscheiden sie sich jedoch nicht von der etwas wirkungsvolleren verwandten Solarzellart.
Amorphes Silizium (a-Si Dünnschicht)
Diese Art Solarzelle ist amorph (glasartig, nicht kristallin), besteht ebenfalls aus einer dünnen Siliziumschicht, die auf ein Trägermaterial aufgedampft wird. Das Herstellungsverfahren ist vergleichsweise günstig. Allerdings sinkt erneut der Wirkungsgrad auf ca. 10% und fordert damit eine große Fläche für eine rentable Stromerzeugung ein. Die Lebensdauer amorpher Silizium Solarzellen liegt derzeit bei ca. 20 bis 25 Jahren.
Dünnschicht Solarzellen (nicht kristalliner Halbleiter)
Wenn das Herstellungsverfahren der eben beschriebenen Variante gleicht, kommen diese amorphen Dünnschicht Solarzellen ohne Silizium aus. Sie sind kostengünstiger in der Herstellung und besitzen wie Silizium-Dünnschicht-Zellen eine Haltbarkeit von ca. 20 bis 25 Jahren. Jedoch setzt der Wirkungsgrad von 10-14% ebenfalls eine große Fläche voraus, um in der Effizienz mit kristallinen Arten konkurrieren zu können. Von Vorteil ist jedoch die flexible Struktur ohne Rahmen und formstabilen Unterbau.
Organischer Kunststoff (Dünnschicht)
Neuer am Markt präsentieren sich die organischen Dünnschicht-Solarzellen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Die Kosten sind hier besonders rentabel, da diese Solarzellen mit einer unaufwendigen Herstellung auskommen. Derzeit ist die Nutzung von Kunststoffsolarzellen mit einem äußerst hohen Flächenbedarf verbunden, da momentan der Wirkungsgrad maximal bei 10% liegt. Von Vorteil ist jedoch die flexible Verwendung, da feste sowie flexible Unterbau als Trägermaterial fungieren könnten. Aufgrund der relativ neuen Entwicklung gibt es noch keine Langzeiterfahrungen.
Können wir bald Tandem Solarzellen kaufen?
Wie bereits die verschiedenen am Markt existenten Varianten beweisen, steht die Forschung in puncto Solarzellen nicht still. Vor allem da eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzellen die nachhaltige Energieversorgung deutlich steigern könnte, indem auch kleine Flächen für den Photovoltaikausbau verfügbar würden und weniger Solarmodule die Kosten für die Käufer senken könnten. Selbst die leistungsstärksten monokristallinen Silizium-Solarzellen können momentan im Durschnitt nur ein Fünftel der auftreffenden Solarenergie in elektrischen Strom umsetzen und “verschwenden” damit rund 80% der Sonneneinstrahlung.
Die Lösung für das Problem sehen Forschende in sogenannten Tandem Solarzellen. Diese kombinieren unterschiedliche Materialschichten in einer Zelle, um einen höheren Wirkungsgrad zu erhalten.
Hoher Wirkungsgrad dank neuem Aufbau
Obwohl es die Bezeichnung vermuten lässt, kann eine Tandemsolarzelle mehr als zwei Materialien besitzen. Deshalb ist auch der Begriff Stapelzelle oder Mehrfachzelle gebräuchlich. Im Gegensatz zu den bisher am Markt befindlichen Varianten besteht diese Solarzelle aus einzelnen Schichten unterschiedlicher Materialien/Elemente. Die Stoffe eignen sich in ihrer Struktur und Eigenschaften für einen bestimmten Bereich des Lichtspektrums. Die oberste Schicht ist für kurzwelliges Licht bestimmt, die Schicht(en) darunter für Strahlung mit länger werdenden Lichtwellen. So gelingt es mit Hilfe der Stapelzellen, ein breites Lichtspektrum abzudecken, mehr auftreffende Sonnenstrahlung zu nutzen und auf gleicher Fläche höhere Elektroenergie zu erzeugen.
Warum ist die Tandem Solarzellen Technologie so revolutionär?
Mit Silizium als Basismaterial beweisen die monokristallinen Solarzellen unter modernster Produktion sogar einen Wirkungsgrad von 24,5%. Das theoretisch angenommene Maximum liegt hierbei bei 29%, sodass also noch etwas Luft nach oben ist. Allerdings ist die Herstellung von Silizium Solarzellen bereits sehr perfektioniert und die Forschung hierbei nahezu ausgereizt. Ganz im Gegensatz zu den Tandem-Solarzellen, denn hier ist die Forschung noch recht jung und konnte bereits im Juli 2023 die bisher bekannte Grenze des Wirkungsgrades überschreiten. Der aktuelle Rekord liegt beim (Tandem Solarzellen) Hersteller Longi Green Energy Technology mit 33,9% (November 2023). Das Frauenhofer ISE hat dazu bereits Leitlinien veröffentlicht, wie ein Wirkungsgrad von 39,5% erreicht werden könnte. Mit dem Fokus auf die Weiterentwicklung der Tandem-Solarzellen ist zumindest momentan kein Limit gesetzt, sofern sich aktuelle Probleme, wie die Wetterbeständigkeit, praktikabel lösen lassen.
Und wann kann ich nun Tandem Solarzellen kaufen?
Den größten Forschungserfolg verzeichnen aktuell die Perowskit-Tandemsolarzelle. Weitere Typen werden ebenfalls erforscht, erzielten bisher jedoch nicht einen so hohen Wirkungsgrad. Im Moment wird davon ausgegangen, dass es ca. noch 1 bis 2 Jahre dauern wird, bis es die Tandem-Solarzellen auf den Markt schaffen. Das liegt zum einen an den Testbedingungen, die überwiegend im kontrollierten Labor fernab von schwankenden Gegebenheiten der Praxis getestet wurden. Zum anderen müssen sich die neuen (Super)Solarzellen in ihrer Skalierbarkeit beweisen. Bedeutet konkret: Die Solarzellen müssen auf üblich dimensionierten Flächen zur Stromproduktion geeignet sein, um eine Marktrelevanz zu rechtfertigen. Am wenigsten abzuschätzen ist die Haltbarkeit der Tandem-Solarzellen, die sich konkret wohl erst im Praxiseinsatz zeigen wird. Anzunehmen ist gerade zu Beginn der Markteinführung ein recht hoher Preis, sodass es sich die kommenden Jahre wohl mehr lohnen wird, weiterhin auf die bewährten Solarzellen zu setzen.
Die Perowskit Solarzellen (auch Mehrfachzelle oder Stapelzelle genannt) bestehen aus einzelnen Schichten mit unterschiedlichen Materialien. Jede Schicht ist für ein bestimmtes Lichtspektrum geeignet. Dank der Kombination mehrerer Schichten decken Tandem Solarzellen ein größeres Lichtspektrum ab und erzielen so einen höheren Wirkungsgrad.
Wann Tandem Solarzellen auf den Markt kommen, steht noch nicht fest. Die neue Solarzellen Technologie wird unter Laborbedingungen für den Markteintritt perfektioniert. Außerdem werden in Deutschland derzeit Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen für den industriellen Gebrauch entwickelt.
Monokristalline Solarzellen besitzen in der Praxis den höchsten Wirkungsgrad, danach folgen polykristalline Solarzellen und Dünnschicht Solarzellen. Zwar noch nicht auf dem Markt, in der Forschung aber Rekordhalter, sind die Tandem Solarzellen („Perowskit Solarzellen“) mit einem Wirkungsgrad von fast 34% (November 2023).
Den Spitzenwert von einem Wirkikungsgrad 33,9% (November 2023) lieferte unter Laborbedingungen der Tandem Solarzellen Hersteller Longi Green Energy Technology. Ein Datum, wann es die Perowskit Solarzellen zu kaufen geben wird, steht für Privatpersonen noch nicht fest.
Solarmodul und Solarpanel bezeichnen beide den Zusammenschluss von parallel oder in Reihe geschalteten Solarzellen, um Licht in Strom umzuwandeln. Die Begriffe meinen also das Gleiche und unterscheiden sich genau genommen nur in ihrer Größe: Solarmodul wird für kleinere und Solarpanel für große Komponenten verwendet.
Maria
Autorin bei Dein Solarspeicher Blog.
