Eine Tandem-Solarzelle kann Sonnenlicht besser nutzen, indem sie zwei verschiedene Halbleiter übereinanderlegt. Der Laborwirkungsgrad zeigt, wie viel einer definierten Lichtleistung die Zelle unter festgelegten Bedingungen in Strom umwandelt. Wie viel Energie sie über ein Jahr liefert, entscheidet sich aber unter wechselndem Himmel. Bei einer verbreiteten Tandem-Bauweise kommt eine Besonderheit hinzu: Beide Teilzellen müssen denselben elektrischen Strom führen.
Ändert sich die Zusammensetzung des Sonnenlichts, können die beiden Schichten unterschiedlich stark reagieren. Die schwächere begrenzt dann den gemeinsamen Strom. Das macht den Laborrekord nicht wertlos; er beantwortet nur eine andere Frage als der Jahresertrag einer Anlage auf einem konkreten Dach oder Feld.
Zwei Schichten teilen sich das Licht
Eine gewöhnliche Siliziumsolarzelle wandelt einen Teil des einfallenden Lichts in elektrische Energie um. Ein Tandem ergänzt darüber eine zweite lichtaktive Schicht, beispielsweise aus einem Perowskit-Halbleiter. Dieser Stoff gehört zu einer Materialfamilie, deren Eigenschaften sich durch ihre Zusammensetzung verändern lassen. Die obere Schicht nimmt bevorzugt einen anderen Teil des Lichts auf als die darunterliegende Siliziumzelle.
Das US-Energieministerium beschreibt das Prinzip so: Die obere Schicht nutzt Lichtanteile, während nicht absorbiertes Licht die darunterliegende Schicht erreichen und dort ebenfalls Strom erzeugen kann. Das ist keine einfache Verdopplung. Die Schichten müssen optisch und elektrisch zusammenpassen, und jede Verbindung verursacht eigene Verluste.
Licht besteht aus Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Sichtbare Farben sind ein Teil davon; Sonnenlicht enthält außerdem unter anderem infrarote Anteile. Die jeweilige Materialschicht reagiert auf diese Anteile unterschiedlich. Deshalb beeinflusst nicht nur die Gesamtmenge des Lichts die Leistung, sondern auch seine Zusammensetzung, das Spektrum.
Warum der gemeinsame Strom begrenzt ist
Bei einer Zweikontakt-Tandemzelle sind die beiden Teilzellen elektrisch in Reihe verbunden. Wie bei zwei Bauteilen in einem Stromkreis fließt durch beide derselbe Strom. Die obere und die untere Zelle müssen daher möglichst gut aufeinander abgestimmt sein. Erzeugt eine unter gegebenem Licht weniger Strom, kann die andere ihren möglichen Überschuss in dieser seriellen Verbindung nicht einfach zusätzlich abgeben.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme erklärt für seriell verschaltete Tandems, warum gleicher Strom in allen Teilzellen und angepasster Lichteinfang wichtig sind. Die Spannung der Teilzellen kommt dabei zusammen; der gemeinsame Strom bleibt durch die Verschaltung gekoppelt.
Im Labor lässt sich eine Zelle auf ein definiertes Testspektrum abstimmen. Draußen verändert die Atmosphäre das Licht: Sonnenstand, Wolken und andere Bedingungen beeinflussen, welche Wellenlängen und wie viel Strahlung die Zelle erreichen. Ein zu einer Zeit gut abgestimmtes Verhältnis muss daher später nicht identisch sein. Wie stark die Abweichung wirkt, hängt von der konkreten Zelle und dem Standort ab.
Was ein Modell über ein Jahr zeigt
Robert Witteck und sein Team untersuchten genau diesen Zusammenhang. Zunächst prüften die Forschenden ihr Modell anhand eines Jahres mit Freilanddaten einer anderen Tandemkombination aus Galliumarsenid und Silizium. Anschließend simulierten sie Perowskit-Silizium-Tandemzellen für Golden im US-Bundesstaat Colorado. Die zugängliche Studienfassung beschreibt sowohl das Modell als auch dessen Annahmen.
Für eine im Standardtest stromangepasste Zweikontaktzelle ergab ihre Rechnung durch die spektralen Abweichungen einen relativen Rückgang der Energieausbeute von etwa zwei Prozent. Relativ bedeutet hier: Der Wert bezieht sich auf den Vergleich innerhalb des Modells; er ist keine Verringerung um zwei Prozentpunkte des Zellwirkungsgrads. Es handelt sich um ein Ergebnis für die modellierte Zelle und den Standort, nicht um einen gemessenen Jahresverlust aller Tandemmodule.
Die Zahl zeigt zugleich, warum eine Momentaufnahme nicht genügt. Eine ungünstige Lichtsituation kann die Teilzellen aus dem Gleichgewicht bringen. Für die Jahresbilanz zählt, wann und wie häufig sie auftritt und wie viel Licht in diesen Stunden überhaupt verfügbar ist. Auch Temperatur, Verschmutzung, Ausrichtung und die übrige Anlage beeinflussen den tatsächlichen Ertrag.
Mehr Kontakte lösen einen Teil des Problems
Es gibt eine Alternative zur seriellen Zweikontakt-Bauweise: Bei einem Vierkontakt-Tandem können die Teilzellen elektrisch getrennt betrieben werden. Dann muss nicht derselbe Strom durch beide fließen. Das erleichtert es, ihre jeweiligen Arbeitspunkte unabhängig einzustellen, bringt aber andere Anforderungen an Kontakte und die optische Verbindung mit sich.
Mehr elektrische Freiheit garantiert deshalb keinen höheren Jahresertrag. Im Modell von Witteck und seinem Team erreichte die Zweikontaktzelle eine vergleichbare oder höhere Energieausbeute, wenn zusätzliche realistische Verluste der Vierkontakt-Bauweise berücksichtigt wurden. Das ist ein Ergebnis für die untersuchten Annahmen. Es zeigt den Zielkonflikt: Was die elektrische Entkopplung gewinnt, kann an anderer Stelle teilweise verloren gehen.
Auch die Abstimmung der oberen Schicht selbst spielt eine Rolle. Das Team simulierte verschiedene Eigenschaften des Perowskits. Eine größere Abweichung von der auf Stromanpassung ausgelegten Materialwahl verringerte die modellierte Energieausbeute. Hersteller können also nicht allein einen hohen Laborwert betrachten; Material, Verschaltung und die Bedingungen am Einsatzort müssen zusammenpassen.
Vom Zellrekord zum Modul
Der Weg vom Labor auf ein Dach führt über weitere Entscheidungen. Eine kleine Forschungszelle muss zu größeren, zuverlässig gefertigten und geschützten Modulen werden. Verbindungen zwischen Zellen, Einbettung und Alterung beeinflussen, wie viel der anfänglichen Leistung im Betrieb ankommt. Das US-Energieministerium nennt Stabilität, Fertigung im größeren Maßstab und die Überprüfung der Technik unter realen Bedingungen als wichtige Entwicklungsaufgaben.
Ein Fraunhofer-Projekt zur Modulverschaltung zeigt, dass neben der Zelle selbst auch deren Verbindung im Modul entwickelt wird. Die Forscher beschreiben unter anderem die geringere Stromdichte der Tandemzellen als möglichen Vorteil für Widerstandsverluste in ihrer untersuchten Verschaltung.
Der Laborwirkungsgrad bleibt eine wichtige Vergleichsgröße für die Zelle. Für die Frage nach nutzbarem Strom über viele Jahre braucht es zusätzlich Angaben zum Modul, zum Standort und zur Alterung. Das wechselnde Spektrum ist ein Teil dieser Rechnung: Es macht sichtbar, dass zwei sehr gute Teilzellen erst dann gemeinsam überzeugen, wenn sie auch unter den Bedingungen ihres Einsatzes gut zusammenarbeiten.
Quellen
- Witteck et al.: Spectral effects on the energy harvesting efficiency of 2- and 4-terminal tandem photovoltaics, Studienfassung 2023; veröffentlicht in Solar RRL.
- Fraunhofer ISE: Jahresbericht 2014/15, Tandemsolarzellen und serielle Verschaltung.
- US Department of Energy: Perovskite Solar Cells, abgerufen am 29. Oktober 2026.
- Fraunhofer ISE: Perowskit-Silizium-Solarzellen treffen auf Matrix-Schindel-Verschaltung, 2026.
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