Solarzellenanlage

Je nach Rohstoff und Technologie können Solarmodule mit unterschiedlichem Wirkungsgrad Strom erzeugen.

Der Wirkungsgrad ( η {displaystyle eta } eta , „eta“) ist ein Prozentsatz der Sonnenenergie, die ein Solarmodul in Strom umwandelt.

Arten von Sonnenkollektoren

Je nach Rohmaterial werden verschiedene Arten von Solarzellen unterschieden:

Kristalline Solarzellen: Solarzellen, die mit mono- und polykristalliner Technologie hergestellt werden, sind heute die gängigste Solarzellentechnologie. Batterien auf der Basis von Silizium-Halbleitern wurden 1954 eingeführt.

Monokristalline Silizium-Solarzellen: Silizium ist teuer, aber effizient. Der Wirkungsgrad moderner Paneele beträgt 18 %, unter Laborbedingungen 25 % (die theoretische Grenze liegt bei 33,7 % für Solarzellen mit einem einzigen p-n-Übergang). Sie erreichen ihre maximale Leistung bei senkrechter Sonneneinstrahlung und werden häufig als Teil von so genannten Solar-Tracking-Geräten verwendet.

Polykristalline Silizium-Solarzellen: etwas billiger, aber weniger effizient. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 %. Sie sind relativ kostengünstig und preisgünstiger.

Galliumarsenid-Verbundsolarzellen: Obwohl sie bisher hauptsächlich für Satelliten verwendet wurden und in einer einzigen Schicht nicht wirtschaftlich sind, können sie in bis zu 8 Schichten gestapelt werden (p-n-Verbindungen). Dies ermöglicht Wirkungsgrade von bis zu 46 % bei konzentriertem Sonnenlicht: Ende November 2014 war eine solche Zelle bereits im Einsatz.
Solarzellen aus amorphem Silizium: billiger, aber nur 5-8 % Effizienz. Sie benötigen bei der Herstellung weniger Silizium als monokristalline, da die aktive Schicht nur 1 µm dick ist.

Andere Verbindungshalbleiter-Solarzellen: Wirkungsgrad weniger als 15 %. Beispiele: Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen. Sie benötigen wenig Halbleitermaterial, da die aktive Schicht nur 1-2 µm dick ist.

Organische Solarzellen auf Farbstoffbasis: Sie funktionieren nach dem elektrochemischen Prinzip, wobei das lichtabsorbierende Material ein organischer Farbstoff ist. Sie basieren auf organischen Solarzellen. Ihr Wirkungsgrad liegt nur bei 2-4 %, aber ihre Herstellung könnte in Zukunft extrem billig werden.

Solarzellen aus organischen Materialien (Polymere): billig, aber nur 2-5 % Wirkungsgrad

Solarzellen auf der Basis von organisch-anorganischen Perowskiten haben experimentell einen Wirkungsgrad von 20 % erreicht, wobei sehr schnelle Fortschritte erzielt wurden, die niedrige Herstellungskosten versprechen. Einige Entwickler gehen davon aus, dass sie bereits 2017 auf den Markt kommen werden.24 Siehe auch die Abbildung im Kapitel Effizienz, wo die roten Linien mit leeren Kreisen den Fortschritt darstellen. (Grafik aus der englischen Wikipedia)

In dem von der EU geförderten Projekt CPVMatch (Forschung von neun Forschungsinstituten (Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich) und Industrieunternehmen – koordiniert vom Fraunhofer ISE in Freiburg) wird das Licht mit optischen Linsen auf kleine Solarzellen fokussiert. Die Versuchsanlage wird mit einem zweiachsigen Solar-Tracking-Mechanismus auf die Sonne ausgerichtet. Der Wirkungsgrad liegt bei 41,4 %.

Es ist möglich, den Wirkungsgrad zu erhöhen, was jedoch eine komplexere Technologie erfordert, die logischerweise teurer wäre, wobei das Potenzial für Technologiesprünge außer Acht gelassen wird. So könnte der theoretische Grenzwert für den Wirkungsgrad (33,7 %) überschritten werden, indem beispielsweise mehrere dünne Schichten von Solarzellen (p-n-Übergänge) übereinander geschichtet werden, die jeweils schrittweise für eine kürzere Wellenlänge des Lichts empfindlich sind. Der Wirkungsgrad kann weiter erhöht werden, indem man mit optischen Linsen oder Spiegeln bei höheren Lichtkonzentrationen (500X) arbeitet.

Heutzutage beschränken sich Forschung und Entwicklung nicht auf die Erzielung eines höheren Wirkungsgrads, sondern gehen in Richtung Wirkungsgrad x Lebensdauer/Produktionskosten, mit dem Ziel, eine möglichst kurze Amortisationszeit zu erreichen. Dieses Ziel kann durch den Einsatz von Batterien auf Dünnschichtbasis erreicht werden: Ihr individueller Wirkungsgrad ist zwar geringer, aber es können mehrere Schichten zusammengesetzt werden, und ihre Produktionskosten sind um ein Vielfaches niedriger als bei herkömmlichen Batterien auf Siliziumbasis.