Artikel aktualisiert am 23.03.2024
von Boris Stippe | ca: 7 Min. zu lesen

Tandemsolarzelle

Wie funktioniert die Tandem-Solarzelle in der PV-Anlage?

Eine Tandemsolarzelle ist eine spezielle Art von Solarzelle, die aus mehreren Halbleiterschichten besteht, die jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren können. Diese Technologie erhöht den Wirkungsgrad der Solarzelle und ermöglicht eine höhere Stromproduktion pro Fläche.

Solarzellen Nahaufnahme
Solarzellen (Bildquelle: Helmut – stock.adobe.com)

Eine Tandemsolarzelle ist eine spezielle Art von Solarzelle, die aus mehreren Halbleiterschichten besteht, die jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die nur aus einem Halbleitermaterial bestehen, absorbieren Tandemsolarzellen mit mehreren Schichten ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts und erhöhen so den Wirkungsgrad der Zelle.

Die verschiedenen Schichten in einer Tandemsolarzelle sind so angeordnet, dass sie jeweils optimal für die Absorption verschiedener Wellenlängen des Sonnenspektrums sind. Die oberste Schicht der Zelle ist auf die Absorption von kurzwelligem Sonnenlicht ausgelegt, während die darunter liegenden Schichten auf längere Wellenlängen spezialisiert sind. Auf diese Weise kann die gesamte Bandbreite des Sonnenspektrums genutzt werden und die Tandemsolarzelle erreicht einen höheren Wirkungsgrad.

Durch den Einsatz von Tandemsolarzellen kann somit mehr Solarstrom pro Fläche erzeugt werden, was insbesondere für die Nutzung der Solarenergie in städtischen Gebieten mit begrenztem Platzangebot von Vorteil ist. Darüber hinaus ermöglicht die Tandemtechnologie eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und trägt somit zur Steigerung der Nachhaltigkeit und zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei.

Wie funktioniert eine Tandemsolarzelle im Vergleich zu einer herkömmlichen Solarzelle?

Eine Tandemsolarzelle ist im Wesentlichen eine Solarzelle, die aus mehreren Halbleiterschichten besteht, die jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die nur ein einziges Halbleitermaterial verwenden, absorbiert eine Tandemsolarzelle mit mehreren Schichten ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts und erhöht so den Wirkungsgrad der Zelle.

Die verschiedenen Schichten einer Tandemsolarzelle sind so ausgelegt, dass sie jeweils optimal für die Absorption verschiedener Wellenlängen des Sonnenspektrums sind. Die oberste Schicht der Zelle ist auf die Absorption von kurzwelligem Sonnenlicht ausgelegt, während die darunter liegenden Schichten auf längere Wellenlängen spezialisiert sind. Auf diese Weise kann die gesamte Bandbreite des Sonnenspektrums genutzt werden und die Tandemsolarzelle erreicht einen höheren Wirkungsgrad.

Die Absorption des Sonnenlichts durch die verschiedenen Schichten der Tandemsolarzelle führt zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in den jeweiligen Halbleiterschichten. Die Elektronen werden dann durch den internen Stromkreis der Zelle zu einem Anschluss geleitet, wo sie zur Stromerzeugung genutzt werden können. Durch die Verwendung mehrerer Schichten in einer Tandemsolarzelle können mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden als in einer herkömmlichen Solarzelle, was zu einer höheren Stromproduktion pro Fläche führt.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Tandemsolarzelle im Vergleich zu einer herkömmlichen Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Tandemsolarzelle hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Anzahl der Schichten und der Art der verwendeten Halbleitermaterialien. Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen jedoch höher als der von herkömmlichen Solarzellen.

Während herkömmliche Solarzellen in der Regel einen Wirkungsgrad von 15-20% haben, können Tandemsolarzellen Wirkungsgrade von bis zu 45% erreichen. Dies liegt daran, dass Tandemsolarzellen ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts absorbieren können und somit mehr Elektronen-Loch-Paare erzeugen, die zur Stromerzeugung genutzt werden können.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen auch durch andere Faktoren beeinflusst werden kann, wie z.B. die Qualität der Schichten, die Dicke der Schichten und die Art der Verbindung zwischen den Schichten. Daher kann der Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen je nach Herstellung und Konfiguration variieren.

Obwohl Tandemsolarzellen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Solarzellen haben, sind sie in der Regel auch teurer in der Herstellung. Dies kann die Kosten für die Installation von Solaranlagen erhöhen, was eine Herausforderung für die breitere Nutzung von Solarenergie darstellen kann.

Wie wird eine Tandemsolarzelle hergestellt und welche Materialien werden verwendet?

Die Herstellung einer Tandemsolarzelle ist ein komplexer Prozess, der mehrere Schritte und Materialien erfordert. Im Wesentlichen bestehen Tandemsolarzellen aus mehreren Schichten von Halbleitermaterialien, die jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren können.

Die oberste Schicht der Tandemsolarzelle besteht in der Regel aus einem Halbleitermaterial, das kurzwelliges Sonnenlicht absorbiert. Typische Materialien sind Galliumarsenid (GaAs), Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Die darunter liegenden Schichten bestehen aus Halbleitermaterialien, die auf längere Wellenlängen spezialisiert sind, wie Silizium (Si) oder Germanium (Ge).

Die verschiedenen Schichten der Tandemsolarzelle werden durch Epitaxieverfahren aufeinander abgeschieden. Epitaxie ist ein Prozess, bei dem die Kristallstrukturen von Halbleitermaterialien so aufeinander abgestimmt werden, dass eine nahtlose Schichtbildung möglich ist. Die Schichten werden auf einem Substrat, in der Regel einem Wafer aus Silizium, aufgewachsen.

Nach dem Aufwachsen der Schichten werden die Solarzellen in Abschnitte geschnitten, die als Zellabsorber bezeichnet werden. Diese Absorber werden dann in eine Solarzelle integriert und elektrisch verbunden, um den internen Stromkreislauf der Zelle zu ermöglichen.

Was kostet eine Tandemsolarzelle im Vergleich zu einer herkömmlichen Solarzelle und lohnt sich die Investition?

Tandemsolarzellen sind in der Regel teurer als herkömmliche Solarzellen. Dies liegt daran, dass Tandemsolarzellen aus mehreren Schichten von Halbleitermaterialien bestehen und daher teurere Herstellungsmethoden erfordern. Die höheren Kosten für Tandemsolarzellen spiegeln sich in der Regel auch in höheren Kosten für den Endverbraucher wider.

Trotz der höheren Kosten können Tandemsolarzellen in einigen Fällen eine lohnende Investition darstellen. Dies hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Verfügbarkeit von Sonnenlicht in der Region, der Größe des Solarsystems und den Strompreisen. In Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung und hohen Strompreisen können Tandemsolarzellen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades eine höhere Stromproduktion pro Fläche ermöglichen und somit zu einer besseren Kapitalrendite (ROI) beitragen.

Es ist jedoch zu beachten, dass Tandemsolarzellen in der Regel teurer in der Herstellung sind und daher höhere Anfangsinvestitionen erfordern. Die höheren Kosten können die Einsparungen bei den Stromrechnungen über einen längeren Zeitraum hinweg aufwiegen. Es ist daher wichtig, sorgfältig zu prüfen, ob eine Investition in Tandemsolarzellen für die individuellen Bedürfnisse und finanziellen Möglichkeiten sinnvoll ist.

Außerdem ist zu beachten, dass Tandemsolarzellen noch eine relativ neue Technologie sind und sich noch in der Entwicklungsphase befinden. Zukünftige Fortschritte in der Technologie und den Herstellungsmethoden könnten die Kosten von Tandemsolarzellen senken und ihre Verfügbarkeit erhöhen.

Welche Vorteile bietet der Einsatz von Tandemsolarzellen gegenüber herkömmlichen Solarzellen in Bezug auf Energieerzeugung und Nachhaltigkeit?

Der Einsatz von Tandemsolarzellen bietet gegenüber herkömmlichen Solarzellen eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf Energieerzeugung und Nachhaltigkeit. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile im Detail:

  • Höherer Wirkungsgrad: Tandemsolarzellen können einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Solarzellen erzielen, da sie ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts absorbieren können. Das bedeutet, dass mehr Solarstrom pro Fläche erzeugt werden kann, was besonders in Gebieten mit begrenztem Platzangebot von Vorteil ist.
  • Effizientere Energieerzeugung: Durch den höheren Wirkungsgrad können Tandemsolarzellen aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Energie gewinnen als herkömmliche Solarzellen. Dies kann dazu beitragen, den Energiebedarf zu decken und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
  • Nachhaltigkeit: Die Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung ist eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen, da es sich um eine erneuerbare Energiequelle handelt. Tandemsolarzellen tragen durch ihren höheren Wirkungsgrad dazu bei, die Nutzung der Solarenergie als nachhaltige Energiequelle weiter zu verbessern.
  • Flexibilität: Tandemsolarzellen können ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts absorbieren und sind daher flexibler einsetzbar. Sie können beispielsweise auch bei bewölktem Himmel oder in Gebieten mit geringerer Sonneneinstrahlung eingesetzt werden.
  • Verringerung der Kohlenstoffemissionen: Die Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung trägt zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes und damit zur Bekämpfung des Klimawandels bei. Durch den höheren Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen kann die Menge der benötigten Solarzellen reduziert werden, was zu einer weiteren Verringerung der Kohlenstoffemissionen beitragen kann.

Fazit

Tandemsolarzellen sind eine spezielle Art von Solarzellen, die aus mehreren Halbleiterschichten bestehen und ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts absorbieren können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die nur aus einem Halbleitermaterial bestehen, erhöhen Tandemsolarzellen den Wirkungsgrad und ermöglichen eine höhere Stromproduktion pro Fläche. Durch den höheren Wirkungsgrad kann mehr Solarstrom pro Fläche erzeugt werden, was besonders in Gebieten mit begrenztem Platzangebot von Vorteil ist. Außerdem können Tandemsolarzellen aufgrund ihrer Flexibilität ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts absorbieren und sind daher flexibler einsetzbar. Allerdings sind Tandemsolarzellen in der Regel teurer in der Herstellung als herkömmliche Solarzellen, was die Installationskosten von Solaranlagen erhöhen kann.

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