Grundlagen von Solar-Photovoltaikzellen

Wenn Licht auf eine Photovoltaikzelle (PV) – auch Solarzelle genannt – fällt, kann dieses Licht reflektiert, absorbiert oder direkt durch die Zelle gelangen. Die PV-Zelle besteht aus Halbleitermaterial; Das „Halb“ bedeutet, dass es Elektrizität besser leiten kann als ein Isolator, aber nicht so gut leitet wie ein Metall. In PV-Zellen werden verschiedene Halbleitermaterialien verwendet.

Wenn der Halbleiter Licht ausgesetzt wird, absorbiert er die Lichtenergie und überträgt sie auf negativ geladene Teilchen im Material, sogenannte Elektronen. Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, als elektrischer Strom durch das Material zu fließen. Dieser Strom wird durch leitende Metallkontakte – die gitterartigen Leitungen einer Solarzelle – entnommen und kann dann zur Stromversorgung Ihres Hauses und des restlichen Stromnetzes verwendet werden.

Der Wirkungsgrad einer PV-Zelle ist einfach die Menge an elektrischer Energie, die aus der Zelle austritt, im Vergleich zur Energie des auf sie gerichteten Lichts. Dies gibt an, 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 Lichtwellenlängen das Material absorbieren und in elektrische Energie umwandeln kann. Wenn die Bandlücke des Halbleiters mit den Wellenlängen des auf die PV-Zelle einfallenden Lichts übereinstimmt, kann diese Zelle die gesamte verfügbare Energie effizient nutzen.

Erfahren Sie im Folgenden mehr über die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien für PV-Zellen.

Ein Bild von drei Solarzellen aus unterschiedlichen Siliziummaterialien: Dünnschicht-, monokristallines und polykristallines Silizium.

SILIZIUM 

Silizium ist mit Abstand das am häufigsten in Solarzellen verwendete Halbleitermaterial und macht etwa 95 % der heute verkauften Module aus. Außerdem ist es das zweithäufigste Material auf der Erde (nach Sauerstoff) und der am häufigsten in Computerchips verwendete Halbleiter. Kristalline Siliziumzellen bestehen aus miteinander verbundenen Siliziumatomen, die ein Kristallgitter bilden. Dieses Gitter sorgt für eine organisierte Struktur, die die Umwandlung von Licht in Elektrizität 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 nach dieser Zeit immer noch mehr als 80 % ihrer ursprünglichen Leistung produzieren.

DÜNNSCHICHT-PHOTOVOLTAIK 

Eine Dünnschichtsolarzelle wird hergestellt, indem eine oder mehrere dünne Schichten PV-Material auf einem Trägermaterial wie Glas, Kunststoff oder Metall abgeschieden werden. Derzeit sind 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 aufgetragen 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, ihr Wirkungsgrad ist jedoch immer noch nicht ganz so hoch wie der von Silizium. CIGS-Zellen haben optimale Eigenschaften für ein PV-Material und hohe Wirkungsgrade im Labor, aber die Komplexität, die mit der Kombination von vier Elementen verbunden ist, 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.

PEROVSKIT-PHOTOVOLTAIK

Perowskit-Solarzellen gehören zu den Dünnschichtzellen und sind nach ihrer charakteristischen Kristallstruktur benannt. Perowskit-Zellen bestehen aus Materialschichten, die auf eine darunter liegende Trägerschicht, das sogenannte Substrat, gedruckt, beschichtet oder im Vakuum abgeschieden werden. Sie sind in der Regel einfach zu montieren und können ähnliche Wirkungsgrade wie kristallines Silizium erreichen. Im Labor haben sich die Wirkungsgrade von Perowskit-Solarzellen schneller verbessert als bei jedem anderen PV-Material, von 3 % im Jahr 2009 auf über 25 % im Jahr 2020. Um kommerziell nutzbar zu sein, müssen Perowskit-PV-Zellen stabil genug werden, um 20 Jahre im Freien zu überleben, so die Forscher arbeiten daran, sie langlebiger zu machen und groß angelegte, kostengünstige Herstellungsverfahren zu entwickeln.