Siliciumbasierte Tandemsolarzellen
Alle Solarzellen, die aus einem Material und damit einer effektiven Bandlücke bestehen, unterliegen grundsätzlichen physikalischen Verlusten. Einerseits werden Photonen mit einer Energie kleiner der Bandlücke nicht absorbiert (Transmission) und anderseits nicht die gesamte Energie kurzwelliger, höher energetischer Photonen genutzt (Thermalisierung, siehe Abb. 1). Durch diese grundlegenden Verluste kann nur 50% der im Sonnenspektrum enthaltenen Energie genutzt werden.
Abbildung 1. Links: Grundsätzliche physikalische Verluste einer Solarzelle aus einem Material. Die Energie kurzwelliger Photonen (blau) kann nicht vollständig genutzt werden (Thermalisierung). Niederenergetische Photonen (rot) können gar nicht genutzt werden, da ihre Energie nicht ausreicht, um ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband zu heben (Transmission). Nur Licht mit einer Wellenlänge, die der Energie der effektiven Bandlücke entspricht, kann optimal genutzt werden. Rechts: Durch diese Verluste kann nur der rot gekennzeichnete Teil (ca. 50%) des gesamten Sonnenspektrums (grau) genutzt werden.
Dieser Verlust kann effektiv reduziert werden, in dem man mehrere Solarzellenmaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken übereinanderstapelt und so das Spektrum wesentlich besser ausnutzt (siehe Abb.2). Dieses Konzept nennt sich Tandemsolarzelle und wird bereits erfolgreich bei III/V-Halbleiter-basierten Solarzellen verwendet.
Abbildung 2. Konzept einer Dreifach-Tandemsolarzelle. Durch das Aufeinanderstapeln von Solarzellen mit verschiedenen Bandlücken können die in Abb. 1 beschriebenen Verlustmechanismen deutlich reduziert werden und so das Spektrum des Sonnenlichts besser ausgenutzt werden. So lässt sich eine signifikante Erhöhung des Wirkungsgrades erreichen.
Tandemsolarzellen haben den Vorteil, dass sich der Wirkungsgrad deutlich erhöhen lässt, wodurch sich prinzipiell die Stromgestehungskosten der Photovoltaik senken lassen. Allerdings sind die bisher verwendeten III/V-Halbleiter sehr teuer, so dass diese Solarzellen aus Kostengründen nur für die Anwendung unter konzentriertem Sonnenlicht geeignet sind und nicht für die vorherrschenden Flachmodule.
Deshalb ist die Entwicklung von siliziumbasierten Tandemsolarzellen ein neues und viel beachtetes Forschungsfeld in der Photovoltaik. Siliziumsolarzellen sind mit ca. 90% Marktanteil die wichtigste Solarzellentechnologie. Wenn es gelänge, eine Tandemsolarzelle auf Basis einer Siliziumsolarzelle zu entwickeln, so wäre dies ein großer Durchbruch in der PV-Forschung.
In unserer Arbeitsgruppe wollen wir deshalb eine Kombination aus einer einfach herstellbaren Perowskitsolarzelle (größere Bandlücke) mit einer Siliziumsolarzelle (kleinere Bandlücke) entwickeln. Diese neuartige Tandemsolarzelle hat einerseits das Potenzial sehr kostengünstig in der Herstellung zu sein und andererseits kann sie das Wirkungsgradlimit traditioneller Siliziumsolarzellen deutlich übertreffen. Allerdings ist die Klasse der Perowskitsolarzellen noch relativ neu und es gibt viele offene Fragestellungen, so dass hier intensiver Forschungsbedarf besteht.