Erstaunliche Maschinen, sogenannte Photovoltaikzellen (PV-Zellen), können Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Edmond Becquerel entdeckte diesen Mechanismus, der manchmal als Photovoltaikeffekt bezeichnet wird, erstmals 1839. Doch PV-Zellen fanden erst in den 1960er Jahren ihre nützliche Anwendung im Betrieb von Satelliten. Ende der 1980er Jahre tauchten Solarmodule – bestehend aus mehreren PV-Zellenmodulen – erstmals auf Dächern auf. Vor allem durch den Bau großer Solarparks ist die weltweite Photovoltaikkapazität seit Beginn des 21. Jahrhunderts stetig gestiegen. Diese zunehmende Akzeptanz von Solarenergie als nachhaltige und saubere Energiequelle unterstreicht, wie sehr ihre Möglichkeiten anerkannt werden.
Was sind organische Photovoltaikzellen?
Frühe Studien zur organischen Photovoltaik Neubrandenburg (OPV) haben eine neue Art von Zelle namens Perowskit ergeben, die hybride organisch-anorganische Moleküle als Wirkstoff verwendet. Der Rekordwert liegt bei 23,7 %, sodass Perowskite bereits Laboreffizienzen erreichen, die denen anderer Technologien entsprechen.
Obwohl noch viele Studien durchgeführt werden müssen, bevor eine Massenproduktion der Zellen möglich ist (Instabilität ist eine Herausforderung), bieten Perowskite mehrere Vorteile. Abgesehen von ihrem geringen Gewicht und ihrer Anpassungsfähigkeit können ihre Materialien mit Tinte vermischt und große Flächen abgedeckt werden. Ihre Herstellung ist außerdem recht günstig.
OPV, organische Photovoltaikzellen
Organische Solarzellen, die organische Moleküle oder Polymere anstelle von halbleitenden Mineralien verwenden, werden zunehmend kommerziell genutzt. Obwohl ihre Lebensdauer und Umwandlungseffizienz gering bleiben, können die Zellen eine kostengünstige Herstellungsalternative sein. Eine weitere in der Entwicklung befindliche Technik, die von der Photosynthese inspiriert ist, sind farbstoffsensibilisierte Solarzellen, die lichtempfindliche Pigmente enthalten.
Die Effizienz von Photovoltaikzellen verstehen
Die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität hängt hauptsächlich von der Effizienz einer Photovoltaikzelle (PV) ab. Sie wird als Verhältnis der erzeugten elektrischen Leistung zu dem von der Zelle absorbierten Sonnenlicht berechnet. Um dies zu messen, werden PV-Zellen zunächst in Modulen angeordnet und anschließend zu größeren Arrays oder Panels zusammengefügt.
Diese Panels werden anschließend unter normalen Bedingungen mit einem Solarsimulator bewertet, der perfektes Sonnenlicht mit einer Intensität von 1.000 Watt pro Quadratmeter und einer Umgebungstemperatur von 25 °C nachbildet. Um die Effizienz des Panels zu ermitteln, wird die unter diesen Umständen erzeugte elektrische Leistung – bekannt als Spitzenleistung – dann mit der einfallenden Sonnenenergie verglichen. Ein Quadratmeter großes Panel, das 200 Watt elektrische Leistung erzeugt, hat beispielsweise einen Wirkungsgrad von 20 %.
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Heutzutage erreichen kommerzielle Solarpanels normalerweise einen Wirkungsgrad von etwa 20 %. Dennoch liegt die Shockley-Queisser-Grenze theoretisch bei dem höchsten Wirkungsgrad – etwa 33 %. Um diesen Unterschied zu schließen und den Wirkungsgrad von PV-Zellen zu erhöhen, sind Forscher stets bestrebt, neue Technologien und Materialien zu entwickeln.
Die reale Stromerzeugung, manchmal auch als „produktiv“ bezeichnet, wird nicht nur vom Wirkungsgrad des Panels beeinflusst, sondern auch von der Sonneneinstrahlung in einem bestimmten Gebiet. Obwohl sein Wirkungsgrad konstant bleibt, erzeugt ein Panel mit einem Wirkungsgrad von 20 % in einem sonnigen Gebiet wie der Sahara deutlich mehr Strom als in einem weniger sonnigen Gebiet wie Paris. Wenn man über Solarenergiesysteme nachdenkt, ist es daher unerlässlich, die lokalen Solarressourcen sowie den Wirkungsgrad des Panels zu bewerten.
Der Photovoltaikprozess und die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie
Eine Photovoltaikzelle (PV) besteht aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, und ist ein erstaunliches Werkzeug. Diese Materialien haben eine besondere Fähigkeit, Photonen zu absorbieren, die kleinsten Energiepakete des Lichts, die die Sonne erzeugt. Mit der erstaunlichen Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde treffen Photonen auf das Silizium und übertragen ihre Energie auf die Elektronen in den Siliziumatomen. Durch die Verdrängung der Elektronen erzeugt dieser Energiestoß ein „Loch“ in der Atomstruktur. Die nun mit Energie versorgten Elektronen wandern ziellos durch das Material auf der Suche nach neuen offenen Löchern.
Diese Elektronen müssen sich jedoch in eine Richtung bewegen, wenn wir einen nutzbaren elektrischen Strom erzeugen wollen. Hier kommt das clevere Design einer PV-Zelle zum Einsatz. Zwei Schichten Silizium bilden eine Standardzelle: eine mit Phosphor dotierte (n-Typ) mit einem zusätzlichen Elektron; die andere mit Bor dotierte (p-Typ) mit einem Elektron weniger. Dadurch entsteht ein positiv-negativer (p-n) Übergang, der dem einer Batterie ähnelt.
Besonders nahe am p-n-Übergang aktivieren die Photonen im Sonnenlicht Elektronen im Silizium. Das elektrische Feld an diesem Übergang fungiert als Einwegtor und lenkt die negativ geladenen Elektronen zur n-Seite und die positiv geladenen „Löcher“ zur p-Seite. Ein Gleichstromfluss (DC) entsteht durch Metallkontakte auf beiden Seiten der Zelle, die diese Ladungen sammeln und in einen externen Schaltkreis leiten.
Durch das Auftragen einer Antireflexbeschichtung auf die obere Oberfläche wird die Effizienz der Zelle maximiert. Diese Schicht reduziert den Photonenverlust durch Reflexion und stellt somit sicher, dass mehr Sonnenlicht gesammelt und in Strom umgewandelt wird. Dieser komplexe Mechanismus innerhalb der PV-Zelle, der die Grundlage der Solarenergieerzeugung bildet, bietet unserer Welt eine nachhaltige und saubere Stromquelle.
Siliziumzellen sind das Rückgrat der Solarenergie
Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaikzellen (PV-Zellen), jede mit besonderen Vorteilen und Eigenschaften. Mit einem Marktanteil von fast 95 % sind Siliziumzellen zum Hauptakteur in der Solarenergieszene geworden. Ihre bewährte Zuverlässigkeit, Effizienz und sinkenden Kosten erklären ihre allgemeine Akzeptanz.
Silizium ist ein flexibles Halbleitermaterial und lässt sich leicht aus Kieselsäure gewinnen, einer Chemikalie, die in Sand und Quarz relativ weit verbreitet ist. Diese Fülle trägt dazu bei, dass Siliziumzellen relativ erschwinglich sind. Darüber hinaus haben Entwicklungen in den Herstellungsverfahren zu deutlichen Steigerungen ihrer Effizienz geführt, die bei gewerblichen Anwendungen derzeit zwischen 16,5 % und 22 % liegt.
Siliziumzellen gibt es hauptsächlich in zwei Formen: monokristallin und polykristallin. Polykristalline Zellen werden durch Kaltverarbeitung hergestellt und bestehen aus vielen Siliziumkristallen. Sie erreichen im Labor Wirkungsgrade von über 22 %, sind relativ günstig und unkompliziert herzustellen. Monokristalline Zellen hingegen entstehen durch Schmelzen und Rekristallisieren von Silizium zu einer einzigen großen Kristallstruktur. Dieser Ansatz ist zwar komplizierter, führt aber zu besseren Wirkungsgraden – bis zu 26,6 % unter Laborbedingungen.
Die Preise für Siliziumzellen sind in letzter Zeit deutlich gesunken, was Solar-PV-Systeme gegenüber herkömmlichen Energiequellen noch wettbewerbsfähiger macht. Ihre hohe Effizienz und Zuverlässigkeit sowie ihre niedrigen Kosten haben dazu beigetragen, die Führungsrolle von Siliziumzellen im Solarenergiesektor zu bestätigen. Weitere Leistungs- und Kostenverbesserungen in Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten werden dazu beitragen, den Weg für eine bessere, nachhaltigere Zukunft mit Solarenergie zu ebnen.
Die Nutzung der Sonne mit dem Potenzial von Photovoltaikzellen