Quelle: www.energy.gov
Wenn Licht auf eine Photovoltaik (PV)-Zelle – auch Solarzelle genannt – fällt, kann dieses Licht reflektiert, absorbiert oder direkt durch die Zelle hindurchtreten. Die PV-Zelle besteht aus Halbleitermaterial; das „halb“ bedeutet, dass es den Strom besser leiten kann als ein Isolator, aber nicht so gut wie ein Metall. In PV-Zellen werden verschiedene Halbleitermaterialien verwendet.
Wenn der Halbleiter Licht ausgesetzt wird, absorbiert er die Energie des Lichts und überträgt sie auf negativ geladene Teilchen im Material, die Elektronen genannt werden. Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, als elektrischer Strom durch das Material zu fließen. Dieser Strom wird durch leitfähige Metallkontakte – die gitterartigen Leitungen auf einer Solarzelle – abgeführt und kann dann zur Stromversorgung Ihres Hauses und des restlichen Stromnetzes verwendet werden.
Der Wirkungsgrad einer PV-Zelle ist einfach die Menge an elektrischer Leistung, die aus der Zelle im Vergleich zur Energie des auf sie einfallenden Lichts austritt, was angibt, wie effektiv die Zelle Energie von einer Form in die andere umwandelt. Die von PV-Zellen erzeugte Strommenge hängt von den Eigenschaften (wie Intensität und Wellenlänge) des verfügbaren Lichts und mehreren Leistungsmerkmalen der Zelle ab.
Eine wichtige Eigenschaft von PV-Halbleitern ist die Bandlücke, die angibt, welche Wellenlängen des Lichts das Material absorbieren und in elektrische Energie umwandeln kann. Stimmt die Bandlücke des Halbleiters mit den Wellenlängen des Lichts überein, das auf die PV-Zelle fällt, kann diese Zelle die gesamte verfügbare Energie effizient nutzen.
Erfahren Sie im Folgenden mehr über die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien für PV-Zellen.
SILIZIUM
Silizium ist das bei weitem am häufigsten in Solarzellen verwendete Halbleitermaterial und macht etwa 95 % der heute verkauften Module aus. Es ist auch das zweithäufigste Material auf der Erde (nach Sauerstoff) und der am häufigsten in Computerchips verwendete Halbleiter. Kristalline Siliziumzellen bestehen aus Siliziumatomen, die miteinander verbunden sind, um ein Kristallgitter zu bilden. Dieses Gitter bietet eine organisierte Struktur, die die Umwandlung von Licht in Elektrizität effizienter macht.
Solarzellen aus Silizium bieten derzeit eine Kombination aus hoher Effizienz, geringen Kosten und langer Lebensdauer. Es wird erwartet, dass Module 25 Jahre oder länger halten und nach dieser Zeit immer noch mehr als 80% ihrer ursprünglichen Leistung produzieren.
DÜNNSCHICHT-PHOTOVOLTAIK
Eine Dünnschichtsolarzelle wird hergestellt, indem eine oder mehrere dünne Schichten von PV-Material auf einem Trägermaterial wie Glas, Kunststoff oder Metall abgeschieden werden. Es gibt heute zwei Haupttypen von Dünnschicht-PV-Halbleitern auf dem Markt: Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Beide Materialien können direkt auf die Vorder- oder Rückseite der Moduloberfläche aufgebracht werden.
CdTe ist nach Silizium das zweithäufigste PV-Material, und CdTe-Zellen können mit kostengünstigen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Dies macht sie zwar zu einer kostengünstigen Alternative, ihre Wirkungsgrade sind jedoch immer noch nicht ganz so hoch wie bei Silizium. CIGS-Zellen haben optimale Eigenschaften für ein PV-Material und hohe Wirkungsgrade im Labor, aber die Komplexität der Kombination von vier Elementen macht den Übergang vom Labor zur Fertigung schwieriger. Sowohl CdTe als auch CIGS benötigen mehr Schutz als Silizium, um einen dauerhaften Betrieb im Freien zu ermöglichen.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAIK
Perowskitesolarzellen gehören zu den Dünnschichtzellen und sind nach ihrer charakteristischen Kristallstruktur benannt. Perowskit-Zellen bestehen aus Materialschichten, die auf eine darunter liegende Trägerschicht gedruckt, beschichtet oder vakuumabgeschieden werden, bekannt als dieSubstrat.Sie sind in der Regel einfach zu montieren und können ähnliche Wirkungsgrade wie kristallines Silizium erreichen. Im Labor hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen schneller verbessert als bei jedem anderen PV-Material, von 3 % im Jahr 2009 auf über 25 % im Jahr 2020. Um kommerziell rentabel zu sein, müssen Perowskit-PV-Zellen stabil genug werden, um 20 Jahre im Freien zu überleben, so die Forscher arbeiten daran, sie haltbarer zu machen und groß angelegte, kostengünstige Fertigungstechniken zu entwickeln.
ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK
Organische PV- oder OPV-Zellen bestehen aus kohlenstoffreichen (organischen) Verbindungen und können maßgeschneidert werden, um eine spezifische Funktion der PV-Zelle zu verbessern, wie beispielsweise Bandlücke, Transparenz oder Farbe. OPV-Zellen sind derzeit nur etwa halb so effizient wie kristalline Siliziumzellen und haben eine kürzere Betriebslebensdauer, könnten aber in großen Stückzahlen kostengünstiger herzustellen sein. Sie können auch auf eine Vielzahl von Trägermaterialien, wie zum Beispiel flexibler Kunststoff, aufgebracht werden, wodurch OPV für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist.
QUANTENPUNKTE
Quantenpunkt-Solarzellen leiten Strom durch winzige, nur wenige Nanometer große Partikel unterschiedlicher Halbleitermaterialien, sogenannte Quantenpunkte. Quantenpunkte bieten eine neue Möglichkeit, Halbleitermaterialien zu verarbeiten, aber es ist schwierig, eine elektrische Verbindung zwischen ihnen herzustellen, daher sind sie derzeit nicht sehr effizient. Sie lassen sich jedoch leicht zu Solarzellen verarbeiten. Sie können mit einem Spin-Coat-Verfahren, einem Spray oder mit Rolle-zu-Rolle-Druckern, wie sie zum Drucken von Zeitungen verwendet werden, auf ein Substrat aufgebracht werden.
Quantenpunkte gibt es in verschiedenen Größen und ihre Bandlücke ist anpassbar, sodass sie schwer einzufangendes Licht sammeln und mit anderen Halbleitern wie Perowskiten gepaart werden können, um die Leistung einer Mehrfachsolarzelle zu optimieren (mehr dazu weiter unten).
MEHRFACH-PHOTOVOLTAIK
Eine weitere Strategie zur Verbesserung der Effizienz von PV-Zellen besteht darin, mehrere Halbleiter zu schichten, um Solarzellen mit mehreren Übergängen herzustellen. Diese Zellen sind im Wesentlichen Stapel aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, im Gegensatz zu Single-Junction-Zellen, die nur einen Halbleiter aufweisen. Jede Schicht hat eine andere Bandlücke, sodass sie jeweils einen anderen Teil des Sonnenspektrums absorbieren und das Sonnenlicht stärker nutzen als Einzelzellen. Multijunction-Solarzellen können Rekordwirkungsgrade erreichen, weil das Licht, das nicht von der ersten Halbleiterschicht absorbiert wird, von einer darunter liegenden Schicht eingefangen wird.
Während alle Solarzellen mit mehr als einer Bandlücke Mehrfachsolarzellen sind, wird eine Solarzelle mit genau zwei Bandlücken als Tandemsolarzelle bezeichnet. Multijunction-Solarzellen, die Halbleiter aus den Spalten III und V im Periodensystem kombinieren, werden als Multijunction-III-V-Solarzellen bezeichnet.
Multijunction-Solarzellen haben Wirkungsgrade von mehr als 45 % gezeigt, sind jedoch teuer und schwierig herzustellen, sodass sie der Weltraumforschung vorbehalten sind. Das Militär verwendet III-V-Solarzellen in Drohnen, und Forscher erforschen andere Anwendungen für sie, bei denen es auf eine hohe Effizienz ankommt.
KONZENTRATIONS-PHOTOVOLTAIK
Konzentrations-PV, auch als CPV bekannt, fokussiert das Sonnenlicht mithilfe eines Spiegels oder einer Linse auf eine Solarzelle. Durch die Fokussierung des Sonnenlichts auf eine kleine Fläche wird weniger PV-Material benötigt. PV-Materialien werden effizienter, wenn das Licht konzentrierter wird, sodass mit CPV-Zellen und -Modulen die höchsten Gesamtwirkungsgrade erzielt werden. Allerdings sind teurere Materialien, Herstellungstechniken und die Fähigkeit, die Bewegung der Sonne zu verfolgen, erforderlich, so dass es zu einer Herausforderung geworden ist, den notwendigen Kostenvorteil gegenüber den heutigen großvolumigen Siliziummodulen zu demonstrieren.