North Carolina State University Tandem-Solarzelle aus Standardkomponenten

Über dünne Indiumbeschichtungen werden zwei einzelne Solarzellen zu einer Tandem-Solarzelle verklebt.
Über dünne Indiumbeschichtungen werden zwei einzelne Solarzellen zu einer Tandem-Solarzelle verklebt.

Tandem-Solarzellen sind zwar der effizienteste, aber leider auch der teuerste Typ von Solarzelle. In einer Machbarkeitsstudie erklären Forscher der North Carolina State University nun, wie sich diese mit Standardkomponenten herstellen lassen. Das könnte neue Anwendungsfelder eröffnen.

Bis zu 45 % der aufgenommenen Sonnenenergie können Tandem- oder Mehrfachsolarzellen in elektrischen Strom wandeln. Sie bestehen aus Halbleitern mit unterschiedlichen Bandabständen, die übereinander gestapelt werden, weshalb sie auch gestapelte Solarzellen genannt werden. Dadurch können sie unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren. Allerdings sind sie viel teurer zu fertigen als weniger effiziente Dünnschicht-Solarzellen.

»Unser Ziel ist es, hocheffiziente Solarzellen zu vernünftigen Kosten herzustellen«, erklärt Salah Bedair, Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering an der North Carolina State University. »Dünnschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis sind sehr beliebt, da sie nur etwa ein Zehntel so viel kosten wie eine Tandem-Solarzelle, auch wenn ihr Wirkungsgrad nur um die 20% liegt. Auch andere kostengünstige Materialien mit geringerem Wirkungsgrad gewinnen an Bedeutung. Wenn wir mit diesen bestehenden Technologien gestapelte Solarzellen herstellen könnten, wären wir auf einem guten Weg, unser Ziel zu erreichen«, meint Bedair.

Allerdings lassen sich die verschiedenen Solarzellen nicht ohne Weiteres übereinanderstapeln. Da die verschiedenen Materialien strukturell inkompatibel sind, können die Ladungen nicht durch sie hindurchfließen und lassen sich somit nicht sammeln. Deswegen nutzt man heute bei den Mehrfachsolarzellen hochdotierte Metalle, sodass zwischen den verschiedenen Schichten ein Tunnelkontakt (Tunnel Junction) entsteht. Dies erhöht jedoch den Aufwand und die Komplexität bei der Herstellung der Mehrfachsolarzellen erheblich.

Bedair und sein Team haben einen einfacheren Ansatz entwickelten. Sie nutzen intermetallische Verbindungen, um Solarzellen aus verschiedenen Materialien zu verbinden. In ihrer Machbarkeitsstudie stapelte das Team eine handelsübliche Solarzelle aus Galliumarsenid auf eine aus Silizium. »Wir haben die vorhandenen metallischen Kontakte der einzelnen Zellen mit einer Schicht aus Indium überzogen«, erläutert der Forscher den neuen Ansatz. »Bei Raumtemperatur und niedrigem Druck verkleben die Indiumschichten recht einfach miteinander. Das Ergebnis ist eine Solarzelle aus zwei verschiedenen Materialien, die mechanisch gestapelt und elektrisch verbunden ist.«

Mit dieser Technik, so die Forscher, können Hersteller von kostengünstigen Standardlösungen profitieren, ohne neue Technologien entwickeln zu müssen. Sie könnten ihre bestehenden Produkte einfach anpassen, um den Wirkungsgrad bei Tandem-Solarzellen zu erhöhen.

Originalpublikation

B. Hagar, P. Colter, S. Bedair, A New Approach for Multi-Junction Solar Cells from Off-the-Shelf Individual Cells: GaAs/Si, June 19, 2019, IEEE Photostatic Specialist Meeting, Chicago