Tandem-Solarzellen 2025: Perowskit-Silizium und aktueller
Perowskit-Silizium-Tandemzellen haben 2024/2025 Laborrekorde über 33 % erzielt. Wir analysieren Aufbau, Herausforderungen und Zeitplan zur Kommerzialisierung.
Von Redaktion Solarexperten24 · Redaktion · veröffentlicht am 9. Oktober 2025
Das Shockley-Queisser-Limit und warum Tandem es durchbricht
Einkristalline Siliziumsolarzellen sind durch das Shockley-Queisser-Limit (SQ-Limit) auf einen theoretischen Maximalwirkungsgrad von ca. 29,4 % beschränkt (für Eg = 1,12 eV). Dieser Grenzwert entsteht durch zwei dominante Verlustmechanismen: thermalisierungsverluste (Photonen mit E > Eg erzeugen Elektron-Loch-Paare, der Energieüberschuss wird als Wärme abgegeben) und Transmissionsverluste (Photonen mit E < Eg werden nicht absorbiert). Ein Tandem-Ansatz mit zwei übereinander gestapelten Absorbern unterschiedlicher Bandlücke kann beide Verluste gleichzeitig reduzieren.
Perowskit als obere Teilzelle
Perowskit-Verbindungen der Formel ABX₃ (typisch: CH₃NH₃PbI₃ oder Cs/FA/MA-haltige Mehrkomponenten-Perowskite) eignen sich hervorragend als obere Teilzelle im Tandem-Stack. Ihre Bandlücke ist durch Halogensubstitution (I ↔ Br) zwischen 1,2 eV und 2,3 eV abstimmbar. Für eine optimale Tandem-Kombination mit Silizium (Eg = 1,12 eV) wird eine Perowskit-Bandlücke von 1,6–1,7 eV angestrebt. Der theoretische Wirkungsgrad eines 1,68/1,12 eV Tandems liegt bei 45 % (AM1.5G).
Zellaufbau: Monolithisches 2-Terminal Tandem
Im 2-Terminal (2T) monolithischen Design sind beide Teilzellen in Serie verschaltet und auf einem einzigen Substrat gefertigt. Der typische Schichtaufbau ist:
- Glas (Front)
- ITO (TCO, 80 nm)
- Lochselektive Schicht (z. B. NiO, Spiro-OMeTAD)
- Perowskit-Absorber (600–800 nm)
- Elektronentransportschicht (SnO₂, TiO₂, 20–50 nm)
- Tunnelrekombinationsverbindung (TRJ)
- n+-poly-Si TOPCon-Rückseite (Silizium-Teilzelle)
- n-Typ c-Si Wafer (300–400 µm)
- p+-a-Si:H / TCO (Rückseite)
Die Tunnelrekombinationsverbindung (TRJ) ist kritisch: Sie verbindet elektrisch die Löcher der oberen mit den Elektronen der unteren Zelle und muss gleichzeitig optisch transparent und chemisch stabil sein.
Wirkungsgrad-Meilensteine 2023–2025
- LONGi (Nov. 2023): 33,9 % (2T Perowskit/Si, best research cell, NREL-bestätigt)
- KAUST (2024): 33,7 % (unabhängig bestätigt)
- CSEM/EPFL (2022): 31,3 % (kommerziell relevante Fläche 1 cm²)
- Fraunhofer ISE (2024): 30,9 % auf 4 cm²
Hauptherausforderungen: Stabilität und Skalierung
Das zentrale Problem für die Kommerzialisierung ist die Langzeitstabilität der Perowskit-Schicht. Bleiiodid-Perowskite degradieren durch:
- Feuchtigkeitseinfluss: Hydrolyse der CH₃NH₃⁺-Komponente zu CH₃NH₂ und HI
- Thermische Degradation: Phasensegregation bei T > 80 °C
- UV-Degradation: Photoindukte TiO₂-Reduktion
- Ionenmigration: halide ion migration unter elektrischen Feldern
IEC 61215-äquivalente Stabilitätstests (damp heat 85 °C/85 % RH, 1000 h) werden von aktuellen Perowskit-Laborzellen noch nicht vollständig bestanden. Zielwerte für die Kommerzialisierung: < 5 % Wirkungsgradverlust nach 1000 h Damp Heat und < 5 % nach 200 Freeze-Thaw-Zyklen.
Kommerzialisierungszeitplan
Unternehmen wie Oxford PV (UK), Tandem PV (USA), Saule Technologies (PL) und chinesische Hersteller (LONGi, Jinko) arbeiten an der Skalierung. Oxford PV hat 2024 eine Pilotlinie mit einer Kapazität von ~100 MWp/a in Betrieb genommen. Die Massenproduktion (> 1 GWp/a) wird für 2026–2028 erwartet, Modulwirkungsgrade von 28–30 % sind das Ziel. Blei-Toxizität (PbI₂) und EU-RoHS-Anforderungen stellen ein Regulierungsrisiko dar — zinnbasierte (Sn) oder bleifreie Alternativen weisen jedoch deutlich niedrigere Wirkungsgrade auf.