Eine kurze Diskussion über die Arten von Solarzellen

Solarenergie war einst fortschrittlichen Raumfahrzeugen und einigen ausgefallenen Geräten vorbehalten, doch das ist nicht mehr der Fall. Im letzten Jahrzehnt hat sich die Solarenergie von einer Nischenenergiequelle zu einer wichtigen Säule der globalen Energielandschaft entwickelt.

Die Erde ist kontinuierlich einer Sonneneinstrahlung von etwa 173.000 TW ausgesetzt, was mehr als dem Zehnfachen des weltweiten durchschnittlichen Strombedarfs entspricht.

[1] Dies bedeutet, dass Solarenergie in der Lage ist, unseren gesamten Energiebedarf zu decken.

Im ersten Halbjahr 2023 betrug die Solarstromerzeugung 5,77 % der gesamten Stromerzeugung in den USA, gegenüber 4,95 % im Jahr 2022.

[2] Obwohl fossile Brennstoffe (hauptsächlich Erdgas und Kohle) im Jahr 2022 bis zu 60,4 % der US-Stromerzeugung ausmachen werden,

[3] Der wachsende Einfluss der Solarenergie und die rasante Entwicklung der Solarenergietechnologie verdienen jedoch Aufmerksamkeit.

 

Arten von Solarzellen

 

Derzeit gibt es drei Hauptkategorien von Solarzellen (auch bekannt als Photovoltaikzellen (PV-Zellen)) auf dem Markt: kristalline, Dünnschicht- und neue Technologien. Diese drei Batterietypen bieten ihre eigenen Vorteile hinsichtlich Effizienz, Kosten und Lebensdauer.

 

01 Kristall

Die meisten Solarmodule auf Hausdächern bestehen aus hochreinem monokristallinem Silizium. Dieser Batterietyp hat in den letzten Jahren einen Wirkungsgrad von über 26 % und eine Lebensdauer von über 30 Jahren erreicht.

[4] Der aktuelle Wirkungsgrad von Solarmodulen für Privathaushalte liegt bei etwa 22 %.

 

Polykristallines Silizium ist günstiger als monokristallines Silizium, weist aber eine geringere Effizienz und eine kürzere Lebensdauer auf. Ein geringerer Wirkungsgrad bedeutet, dass mehr Module und mehr Fläche benötigt werden.

 

SolarzellenBasierend auf der Mehrfach-Galliumarsenid-Technologie (GaAs) sind Solarzellen effizienter als herkömmliche. Diese Zellen haben einen mehrschichtigen Aufbau, wobei jede Schicht ein anderes Material wie Indiumgalliumphosphid (GaInP), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Germanium (Ge) verwendet, um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts zu absorbieren. Obwohl von diesen Mehrfachzellen hohe Wirkungsgrade erwartet werden, sind ihre Herstellungskosten und die unzureichende Forschung und Entwicklung noch immer problematisch, was ihre kommerzielle Machbarkeit und praktische Anwendung einschränkt.

 

02 Film

Cadmiumtellurid-Module (CdTe) sind die gängigsten Dünnschicht-Photovoltaik-Produkte auf dem Weltmarkt. Millionen solcher Module sind weltweit installiert und erreichen eine Spitzenleistung von über 30 GW. Sie werden hauptsächlich in den USA zur Stromerzeugung im Großmaßstab eingesetzt.

 

Bei dieser Dünnschichttechnologie enthält ein ein Quadratmeter großes Solarmodul weniger Cadmium als ein Nickel-Cadmium-Akku (Ni-Cd) der Größe AAA. Zudem ist das Cadmium in Solarmodulen an Tellur gebunden, das wasserunlöslich und bis zu 1.200 °C stabil bleibt. Diese Faktoren mindern die toxischen Gefahren der Verwendung von Cadmiumtellurid in Dünnschichtbatterien.

 

Der Tellurgehalt in der Erdkruste beträgt nur 0,001 ppm. Genau wie Platin ein seltenes Element ist, kann die Seltenheit von Tellur die Kosten eines Cadmiumtellurid-Moduls erheblich beeinflussen. Dieses Problem lässt sich jedoch durch Recyclingverfahren lindern.

Der Wirkungsgrad von Cadmiumtellurid-Modulen kann 18,6 % erreichen, und der Batteriewirkungsgrad in einer Laborumgebung kann 22 % übersteigen. [5] Die Verwendung von Arsendotierung anstelle der seit langem verwendeten Kupferdotierung kann die Lebensdauer des Moduls erheblich verbessern und ein mit Kristallbatterien vergleichbares Niveau erreichen.

 

03Neue Technologien

 

Neue Photovoltaik-Technologien mit ultradünnen Schichten (weniger als 1 Mikrometer) und Direktabscheidungsverfahren werden die Produktionskosten senken und hochwertige Halbleiter für Solarzellen liefern. Es wird erwartet, dass diese Technologien etablierten Materialien wie Silizium, Cadmiumtellurid und Galliumarsenid Konkurrenz machen.

 

[6]In diesem Bereich gibt es drei bekannte Dünnschichttechnologien: Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (Cu2ZnSnS4 oder CZTS), Zinkphosphid (Zn3P2) und einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Im Labor erreichten Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Solarzellen (CIGS) einen beeindruckenden Spitzenwirkungsgrad von 22,4 %. Die Reproduktion solcher Wirkungsgrade im kommerziellen Maßstab bleibt jedoch eine Herausforderung.

[7]Bleihalogenid-Perowskit-Dünnschichtzellen sind eine attraktive, aufstrebende Solartechnologie. Perowskit ist eine Substanz mit einer typischen Kristallstruktur der chemischen Formel ABX3. Es handelt sich um ein gelbes, braunes oder schwarzes Mineral, dessen Hauptbestandteil Calciumtitanat (CaTiO3) ist. Kommerzielle siliziumbasierte Perowskit-Tandem-Solarzellen des britischen Unternehmens Oxford PV haben einen Rekordwirkungsgrad von 28,6 % erreicht und werden noch in diesem Jahr in Produktion gehen.

[8]In nur wenigen Jahren erreichten Perowskit-Solarzellen ähnliche Wirkungsgrade wie bestehende Cadmiumtellurid-Dünnschichtzellen. In der frühen Forschung und Entwicklung von Perowskit-Batterien war die Lebensdauer ein wichtiges Thema, da sie nur in Monaten berechnet werden konnte.

Perowskit-Zellen haben heute eine Lebensdauer von 25 Jahren und mehr. Die Vorteile von Perowskit-Solarzellen liegen derzeit in ihrem hohen Wirkungsgrad (über 25 %), den niedrigen Produktionskosten und den niedrigen Temperaturen, die für den Produktionsprozess erforderlich sind.

 

Gebäudeintegrierte Solarmodule

 

Manche Solarzellen sind so konzipiert, dass sie nur einen Teil des Sonnenspektrums erfassen, sichtbares Licht aber durchlassen. Diese transparenten Zellen werden als Farbstoffsolarzellen (DSC) bezeichnet und wurden 1991 in der Schweiz entwickelt. Dank neuer Forschungs- und Entwicklungsergebnisse der letzten Jahre konnte die Effizienz von DSCs verbessert werden, und es dürfte nicht mehr lange dauern, bis diese Solarmodule auf den Markt kommen.

 

Einige Unternehmen integrieren anorganische Nanopartikel in Polycarbonat-Glasschichten. Die Nanopartikel dieser Technologie verschieben bestimmte Teile des Spektrums an den Rand des Glases und lassen so den Großteil des Spektrums durch. Das am Rand des Glases konzentrierte Licht wird dann von Solarzellen genutzt. Darüber hinaus wird derzeit an der Anwendung von Perowskit-Dünnschichtmaterialien auf transparenten Solarfenstern und Gebäudeaußenwänden geforscht.

 

Rohstoffe für Solarenergie benötigt

Um die Solarstromerzeugung zu steigern, wird der Bedarf an der Gewinnung wichtiger Rohstoffe wie Silizium, Silber, Kupfer und Aluminium steigen. Das US-Energieministerium gibt an, dass etwa 12 % des weltweit produzierten metallurgischen Siliziums (MGS) zu Polysilizium für Solarmodule verarbeitet werden.

 

China ist ein wichtiger Akteur auf diesem Gebiet und produzierte im Jahr 2020 etwa 70 % des weltweiten MGS und 77 % des Polysiliziumbedarfs.

 

Der Prozess der Umwandlung von Silizium in Polysilizium erfordert sehr hohe Temperaturen. In China wird die Energie für diese Prozesse hauptsächlich aus Kohle gewonnen. Xinjiang verfügt über reichlich Kohlevorkommen und niedrige Stromkosten. Die dortige Polysiliziumproduktion macht 45 % der weltweiten Produktion aus.

 

[12]Die Produktion von Solarmodulen verbraucht etwa 10 % des weltweiten Silbers. Der Silberabbau findet hauptsächlich in Mexiko, China, Peru, Chile, Australien, Russland und Polen statt und kann zu Problemen wie Schwermetallkontamination und Zwangsumsiedlungen lokaler Gemeinden führen.

 

Auch der Kupfer- und Aluminiumabbau bringt Herausforderungen hinsichtlich der Landnutzung mit sich. Der US Geological Survey gibt an, dass Chile 27 % der weltweiten Kupferproduktion deckt, gefolgt von Peru (10 %), China (8 %) und der Demokratischen Republik Kongo (8 %). Die Internationale Energieagentur (IEA) geht davon aus, dass sich die Nachfrage nach Kupfer aus Solarprojekten fast verdreifachen wird, wenn die weltweite Nutzung erneuerbarer Energien bis 2050 100 % erreicht.

[13]Schlussfolgerung

 

Wird Solarenergie eines Tages unsere wichtigste Energiequelle sein? Die Preise für Solarenergie sinken, und die Effizienz steigt. Mittlerweile gibt es viele verschiedene Solartechnologie-Möglichkeiten. Wann werden wir endlich eine oder zwei Technologien finden und sie tatsächlich umsetzen? Wie lässt sich Solarenergie ins Netz integrieren?

 

Die Entwicklung der Solarenergie von der Spezialenergie zur Mainstream-Technologie unterstreicht ihr Potenzial, unseren Energiebedarf zu decken und zu übertreffen. Während kristalline Solarzellen derzeit den Markt dominieren, ebnen Fortschritte in der Dünnschichttechnologie und neue Technologien wie Cadmiumtellurid und Perowskite den Weg für effizientere und integrierte Solaranwendungen. Die Solarenergie steht zwar noch vor vielen Herausforderungen, wie den Umweltauswirkungen des Rohstoffabbaus und Produktionsengpässen, doch letztlich handelt es sich um eine schnell wachsende, innovative und vielversprechende Branche.

 

Mit der richtigen Balance aus technologischem Fortschritt und nachhaltigen Praktiken ebnet das Wachstum und die Entwicklung der Solarenergie den Weg für eine sauberere und ertragreichere Energiezukunft. Dadurch wird sie im US-Energiemix deutlich wachsen und sich voraussichtlich zu einer globalen nachhaltigen Lösung entwickeln.