Solarzellenarchitekturen

Solarzellenarchitekturen umfassen die Schichtfolgen, Grenzflächen und Bauelemente, die in einer Solarzelle zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom eingesetzt werden. Typisch unterscheidet man Architekturen nach dem verwendeten Material, der Art der Grenzflächen (Homojunction vs Heterojunction) sowie der Anzahl der Junctionen bzw. der Systemintegration (einzelne Zelle, Tandemzelle).

Kristalline Siliziumzellen bilden die dominante Architektur. Es existieren Monokristall- und Polykristallvarianten; gängige Strukturen umfassen P-N-Kontaktzellen, PERC- oder HIT-/HJT-Konfigurationen, die Oberflächenpassivierung und hintere Kontakte nutzt. Neue Entwicklungen wie TOPCon verbessern die Leerlaufverluste durch dünne Intrinsic-Schichten und Mikrostrukturen.

Dünnschichtarchitekturen verwenden geringe Dicken Halbleiterfilme wie amorphes Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Sie ermöglichen flexible Substrate, niedrigere Materialkosten und gute Ausbeute in großflächigen Anwendungen, weisen jedoch je nach Material unterschiedliche Stabilität und Effizienz-Grenzen auf.

Mehrschicht- oder Tandemarchitekturen kombinieren zwei oder mehr Junctionen, um das Spektrum besser zu nutzen. Als Tandems kommen Si-Topzelle mit Perowskit- oder III-V-Bottomzellen oder GaAs/Si-Kombinationen vor; es gibt zwei- und vier-terminal-Varianten, die unterschiedliche Spannungen und Ströme zulassen.

Perowskit-Solarzellen haben sich durch schnelle Effizienzsteigerungen auszeichnen; organisch‑anorganische Halbleiter ermöglichen potenziell kostengünstige Herstellung. Stabilität, Skalierbarkeit und Umweltaspekte stellen aktuell die zentralen Herausforderungen dar; Tandems mit Perowskit werden auch intensiv erforscht.

Organische Solarzellen (OPV) und Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC) bieten Flexibilität, geringe Gewicht und Farbstabilität; derzeit liegen die Wirkungsgrade unter konventionellen Technologien, doch ihr Einsatzgebiet bleibt Nischen, etwa tragbaren oder biegbaren Anwendungen.

Bei Konzentratorphotovoltaik (CPV) werden Optiken genutzt, um das Licht zu fokussieren und hochkonzentrierte Zellen zu betreiben; dies erhöht Wirkungsgrade, erfordert jedoch präzise Nachführung und effiziente Wärmeabfuhr.