Solarleistung und Effizienz

Der Umwandlungswirkungsgrad einer Photovoltaikzelle (PV) oder Solarzelle ist der Prozentsatz der Sonnenenergie, die auf ein PV-Gerät scheint und in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Die Verbesserung dieser Umwandlungseffizienz ist ein zentrales Ziel der Forschung und trägt dazu bei, PV-Technologien gegenüber herkömmlichen Energiequellen kostenmäßig konkurrenzfähig zu machen.

FAKTOREN, DIE DIE EFFIZIENZ DER KONVERTIERUNG BEEINFLUSSEN 

Nicht das gesamte Sonnenlicht, das eine PV-Zelle erreicht, wird in Strom umgewandelt. Tatsächlich ist das meiste davon verloren. Mehrere Faktoren beim Design von Solarzellen spielen eine Rolle bei der Einschränkung der Fähigkeit einer Zelle, das empfangene Sonnenlicht umzuwandeln. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können bei der Konstruktion höhere Wirkungsgrade erreicht werden.

• Wellenlänge – Licht besteht aus Photonen – oder Energiepaketen – mit einem breiten Spektrum an Wellenlängen und Energien. Das Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht, hat Wellenlängen von Ultraviolett über den sichtbaren Bereich bis hin zu Infrarot. Trifft Licht auf die Oberfläche einer Solarzelle, werden einige Photonen reflektiert, während andere hindurchgehen. Die Energie einiger absorbierter Photonen wird in Wärme umgewandelt. Der Rest verfügt über die richtige Energiemenge, um Elektronen aus ihren Atombindungen zu lösen und so Ladungsträger und elektrischen Strom zu erzeugen.

• Rekombination – Eine Möglichkeit für den elektrischen Stromfluss in einem Halbleiter besteht darin, dass ein „Ladungsträger“, beispielsweise ein negativ geladenes Elektron, durch das Material fließt. Ein weiterer solcher Ladungsträger ist als „Loch“ bekannt, das die Abwesenheit eines Elektrons im Material darstellt und wie ein positiver Ladungsträger wirkt. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, kann es zu einer Rekombination kommen und dadurch ihren Beitrag zum elektrischen Strom aufheben. Die direkte Rekombination, bei der durch Licht erzeugte Elektronen und Löcher aufeinander treffen, sich rekombinieren und ein Photon aussenden, kehrt den Prozess um, bei dem in einer Solarzelle Strom erzeugt wird. Dies ist einer der grundlegenden Faktoren, die die Effizienz einschränken. Die indirekte Rekombination ist ein Prozess, bei dem die Elektronen oder Löcher auf eine Verunreinigung, einen Defekt in der Kristallstruktur oder Grenzfläche treffen, der ihnen die Rekombination und die Freisetzung ihrer Energie als Wärme erleichtert.

• Temperatur – Solarzellen funktionieren im Allgemeinen am besten bei niedrigen Temperaturen. Höhere Temperaturen führen zu einer Verschiebung der Halbleitereigenschaften, was zu einem leichten Anstieg des Stroms, aber einem viel stärkeren Abfall der Spannung führt. Auch extreme Temperaturerhöhungen können die Zelle und andere Modulmaterialien schädigen und zu einer kürzeren Betriebslebensdauer führen. Da ein Großteil des auf die Zellen einfallenden Sonnenlichts in Wärme umgewandelt wird, verbessert ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer.

• Reflexion – Die Effizienz einer Zelle kann gesteigert werden, indem die Menge des von der Zelloberfläche reflektierten Lichts minimiert wird. Beispielsweise reflektiert unbehandeltes Silizium mehr als 30 % des einfallenden Lichts. Antireflexionsbeschichtungen und strukturierte Oberflächen tragen dazu bei, Reflexionen zu verringern. Eine Hochleistungszelle erscheint dunkelblau oder schwarz.

BESTIMMUNG DER KONVERTIERUNGSEFFIZIENZ  

Forscher messen die Leistung eines PV-Geräts, um vorherzusagen, welche Leistung die Zelle erzeugen wird. Elektrische Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung. Strom-Spannungs-Beziehungen messen die elektrischen Eigenschaften von PV-Geräten. Wenn ein bestimmter „Last“-Widerstand an die beiden Anschlüsse einer Zelle oder eines Moduls angeschlossen wird, passen sich der erzeugte Strom und die erzeugte Spannung gemäß dem Ohmschen Gesetz an (der Strom durch einen Leiter zwischen zwei Punkten ist direkt proportional zur Potenzialdifferenz zwischen beiden Punkte). Wirkungsgrade werden erzielt, indem die Zelle einem konstanten Standardlichtniveau ausgesetzt wird, während eine konstante Zelltemperatur aufrechterhalten wird, und der Strom und die Spannung gemessen werden, die für verschiedene Lastwiderstände erzeugt werden.