Wenn Licht auf eine Photovoltaikzelle (PV) - auch Solarzelle genannt - scheint, kann dieses Licht reflektiert, absorbiert oder direkt durch die Zelle geleitet werden. Die PV-Zelle besteht aus Halbleitermaterial; die "halbe" bedeutet, dass es Elektrizität besser leiten kann als ein Isolator, aber kein so guter Leiter 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 leitende Metallkontakte gezogen – die netzartigen Leitungen einer Solarzelle – und kann dann verwendet werden, um Ihr Zuhause und den Rest des Stromnetzes mit Strom zu versorgen.
Der Wirkungsgrad einer PV-Zelle ist einfach die Menge an elektrischer Energie, die aus der Zelle herauskommt, verglichen mit der Energie des darauf scheinenden Lichts, was angibt, wie effektiv die Zelle Energie von einer Form in eine 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 Lichtwellenlängen das Material absorbieren und in elektrische Energie umwandeln kann. Wenn die Bandlücke des Halbleiters mit den Wellenlängen des auf die PV-Zelle scheinenden Lichts übereinstimmt, kann diese Zelle die gesamte verfügbare Energie effizient nutzen.
SILIKON
Silizium ist bei weitem das am häufigsten in Solarzellen verwendete Halbleitermaterial und macht etwa 95 % der derzeit 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 Strom effizienter macht.
Solarzellen aus Silizium bieten derzeit eine Kombination aus hoher Effizienz, niedrigen Kosten und langer Lebensdauer. Es wird erwartet, dass die Module 25 Jahre oder länger halten und danach immer noch mehr als 80 % ihrer ursprünglichen Leistung produzieren.
DÜNNSCHICHT-PHOTOVOLTAIK
Eine Dünnschicht-Solarzelle wird hergestellt, indem eine oder mehrere dünne Schichten PV-Material auf einem Trägermaterial wie Glas, Kunststoff oder Metall abgeschieden werden. Derzeit gibt es zwei Haupttypen von Dünnschicht-PV-Halbleitern auf dem Markt: Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Beide Materialien können direkt auf die Vorder- oder Rückseite der Moduloberfläche aufgebracht werden.
CdTe ist das zweithäufigste PV-Material nach Silizium und CdTe-Zellen können mit kostengünstigen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Dies macht sie zwar zu einer kostengünstigen Alternative, ihre Effizienz ist jedoch immer noch nicht so hoch wie bei Silizium. CIGS-Zellen haben optimale Eigenschaften für ein PV-Material und eine hohe Effizienz im Labor, aber die Komplexität, die mit der Kombination von vier Elementen verbunden ist, macht den Übergang vom Labor zur Produktion schwieriger. Sowohl CdTe als auch CIGS erfordern mehr Schutz als Silizium, um einen langfristigen Betrieb im Freien zu ermöglichen.
PEROVSKITE-PHOTOVOLTAIK
Perowskit-Solarzellen sind eine Art Dünnschichtzelle und werden nach ihrer charakteristischen Kristallstruktur benannt. Perowskit-Zellen bestehen aus Materialschichten, die auf eine darunter liegende Trägerschicht, das sogenannte Substrat, gedruckt, beschichtet oder vakuumabgeschieden werden. Sie sind im Allgemeinen einfach zu montieren und können mit kristallinem Silizium vergleichbare Wirkungsgrade erreichen. Im Labor hat sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen schneller verbessert als bei jedem anderen PV-Material, von 3 % im Jahr 2009 auf mehr als 25 % im Jahr 2020. Um wirtschaftlich rentabel zu sein, müssen Perowskit-PV-Zellen stabil genug werden, um 20 Jahre zu überleben im Freien, daher arbeiten Forscher daran, sie nachhaltiger zu machen und kostengünstige Herstellungstechniken in großem Maßstab zu entwickeln.
ORGANISCHE PHOTOVOLTAS
Organische PV- oder OPV-Zellen bestehen aus kohlenstoffreichen (organischen) Verbindungen und können modifiziert werden, um eine bestimmte Funktion der PV-Zelle wie Bandlücke, Transparenz oder Farbe zu verbessernStd. OPV-Zellen sind derzeit nur etwa halb so effizient wie kristalline Siliziumzellen und haben eine kürzere Lebensdauer, können aber in großen Mengen billiger hergestellt werden. Sie können auch auf verschiedene Trägermaterialien wie flexiblen Kunststoff aufgebracht werden, wodurch OPV für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann.
QUANTUMPUNKTE
Quantenpunkt-Solarzellen leiten Strom durch kleine, nur wenige Nanometer große Partikel verschiedener Halbleitermaterialien, die sogenannten Quantenpunkte. Quantenpunkte bieten eine neue Möglichkeit, Halbleitermaterialien zu verarbeiten, aber es ist schwierig, eine elektrische Verbindung zwischen ihnen herzustellen, sodass sie derzeit nicht sehr effizient sind. Sie lassen sich jedoch leicht zu Solarzellen verarbeiten. Sie können mit einem Spin-Coat-Verfahren, einem Spray oder Rolle-zu-Rolle-Druckern, wie sie für den Zeitungsdruck verwendet werden, auf ein Substrat aufgebracht werden.
Quantum Dots gibt es in verschiedenen Größen, und ihre Bandlücke ist einstellbar, sodass sie schwer einzufangendes Licht einfangen und mit anderen Halbleitern wie Perowskiten kombinieren können, um die Leistung einer Mehrfachsolarzelle zu optimieren (mehr dazu weiter unten).
MULTIUNKTIONALE PHOTOVOLTAS
Eine weitere Strategie zur Verbesserung der Effizienz von PV-Zellen besteht darin, mehrere Halbleiter zu schichten, um Solarzellen mit mehreren Funktionen herzustellen. Diese Zellen sind im Wesentlichen Stapel aus verschiedenen 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 Einzelknotenzellen. Mehrfachsolarzellen 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. Mehrfachsolarzellen, die Halbleiter aus den Spalten III und V des Periodensystems kombinieren, werden als III-V-Mehrfachsolarzellen bezeichnet.
Multifunktionale Solarzellen haben Wirkungsgrade von über 45 % gezeigt, aber sie sind 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 hohe Effizienz ankommt.
KONZENTRATION VON PHOTOVOLTAS
Konzentrations-PV, auch CPV genannt, 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 die höchste Gesamteffizienz mit CPV-Zellen und -Modulen erreicht wird. Allerdings sind teurere Materialien, Herstellungstechniken und die Fähigkeit, die Bewegung der Sonne zu verfolgen, erforderlich, sodass es zu einer Herausforderung geworden ist, den notwendigen Kostenvorteil gegenüber den heutigen hochvolumigen Siliziummodulen nachzuweisen.