Dünnfilme und Photovoltaik  
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CIGS
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Tandemzellen
Lehre

Tandemzellen

Die maximal mögliche Effizienz von Solarzellen ist theoretisch durch das Shockley-Queisser-Limit beschrieben. Dabei wird angenommen, dass alle Photonen mit höherer Bandlücke als der Absorber absorbiert und zu einem Elektron-Loch-Paar konvertiert werden, sowie alle Rekombinationsprozesse vernachlässigt. Für Zellen mit einem Absorber einer Bandlücke von 1.1 eV liegt dieses Limit bei etwa 30%.

Allerdings geht jegliche Energie der Photonen, die grösser ist als die Bandlücke, verloren, da das angeregte Elektron-Loch-Paar sofort mit dem Gitter thermalisiert und zur Leitungs- bzw. Valenzbandkante wandert. Um diese Verluste zu minimieren, können mehrere Zellen mit unterschiedlicher Bandlücke übereinandergestapelt werden. So werden die höherenergetischen Photonen in einer Zelle mit grosser, die niederenergetischen in einer Zelle mit kleiner Bandlücke absorbiert und die Energie besser ausgenutzt.
Mit monokristallinen III-V-Halbleitern konnten unter Ausnutzung dieser Theorie mit drei gestapelten Zellen bereits Effizienzen von über 40% unter konzentriertem Licht erreicht werden. Diese epitaktisch gewachsenen Zellen sind allerdings sehr teuer in der Herstellung. Daher untersuchen wir die Möglichkeit, dasselbe Prinzip auf Dünnschichtsolarzellen anzuwenden.
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Schema einer monolithisch integrierten Tandemzelle

Die Herausforderungen bei dieser Arbeit bestehen einerseits darin, die Topzelle auf einem transparenten Substrat zu wachsen (z.B. ITO, ZnO:Al) um die Transmission der niederenergetischen Photonen in die unteren Zellen zu ermöglichen. Zum anderen muss bei einer seriellen Verschaltung der einzelnen Zellen die generierte Stromdichte in allen Zellen identisch sein, um Verluste zu vermeiden (dies weil in einer seriellen Schaltung der niedrigste Strom den Gesamtstrom im Stromkreis beschränkt). Ausserdem sollte es zur Vermeidung von Absorptions- und Reflexionsverlusten möglich sein, die Tandemzellen monolithisch zu verschalten. Das heisst, die Topzelle sollte unmittelbar auf der Bottomzelle oder umgekehrt gewachsen werden können. Dafür ist bei vielen Prozessen die Hitzestabilität der bereits fertigen Zelle zum Zeitpunkt des Wachsens der zweiten Zelle eine notwendige Voraussetzung.

In unserer Gruppe beschäftigen wir uns mit CIGS-Solarzellen zur Verwendung in Tandemzellen. Von uns untersuchte oder zu untersuchen geplante Kombinationen umfassen hier CGS/CIS-, Grätzelzelle/CIGS-, a-Si/CIGS, sowie (Grätzel?)/CdTe/CI(G)S-Zellen.

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