Solarenergie, die drittgrößte erneuerbare Energiequelle nach Wasser- und Windkraft, hat sich zu einer sauberen, nachhaltigen und leistungsstarken Alternative zu fossilen Brennstoffen entwickelt. Das Sonnenlicht, das auf die Erde trifft, entspricht mehr als dem 10.000-fachen des weltweiten Energieverbrauchs, und die Technologien zur Gewinnung von so viel Sonnenenergie wie möglich entwickeln sich rasant. Seit den ersten kommerziellen Solarzellen aus Silizium (Si), die 1954 von den Bell Laboratories entwickelt wurden, verwenden die gängigsten Technologien heute verschiedene Formen von Solarzellen auf Si-Basis und wandeln bis zu 20 % des Sonnenlichts in Strom um.
Nach der Marktanalyse der IEA hat die Erzeugung von Solar-Photovoltaik (PV) – der Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität – 720 TWh im Jahr 2019 gegenüber 585 TWh im Jahr 2018 erreicht und wird voraussichtlich bis 2025 auf 1.940 TWh ansteigen. Die derzeitige maximale globale Kapazität der Solarenergie beträgt 592 GW und trägt 2,2 % zur globalen Stromerzeugung bei.
- Was sind die aktuellen und kommenden innovativen Materialien?
- Kristallines Silizium
- Dünnschicht-Solarzellen
- Perowskit-Solarzellen
- Welche bahnbrechenden integrativen Solarzellentechnologien gibt es?
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Was sind die aktuellen und kommenden innovativen Materialien?
Eine typische Solarzelle besteht aus Halbleitermaterialien wie p- und n-Typ Silizium mit einem geschichteten p-n-Übergang, der mit einem externen Schaltkreis verbunden ist. Das Sonnenlicht, das auf die Platten fällt, bewirkt den Auswurf von Elektronen aus dem Silizium. Die herausgeschleuderten Elektronen erzeugen in einem internen elektrischen Feld einen Stromfluss durch den p-n-Übergang und den externen Schaltkreis, wodurch ein Strom entsteht. Angesichts des schnell wachsenden Marktes und der Entwicklung kreativer Anwendungen ist die Forschung und Entwicklung innovativer Solarenergie-Materialien auf dem Höhepunkt, um eine maximale Effizienz bei der Umwandlung von Solarstrom in Elektrizität zu niedrigen Kosten zu erreichen. Drei Arten von hochgradig untersuchten Halbleitermaterialien sind heute kristallines Silizium, Dünnschichten und die nächste Generation von Perowskit-Solarzellen (PSC).
Kristallines Silizium
Kristallines Silizium (c-Si) ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in Solarmodulen und nimmt mehr als 90 % des weltweiten PV-Marktes ein, obwohl der Wirkungsgrad deutlich unter der theoretischen Grenze liegt (~30 %). Solarzellen aus alternativen, kostengünstigen und hocheffizienten Materialien sind im Kommen.
Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) treibt die Entwicklung hocheffizienter kristalliner PVs voran, zu denen auch III-V-Multijunction-Materialien (mit einem Zielwirkungsgrad von >30%) und hybride Tandem-III-V/Si-Solarzellen gehören. Ihre III-V-Solarzellen mit sechs Übergängen haben unter konzentriertem Licht einen Wirkungsgrad von 47,1 % erreicht. Darüber hinaus kann die bifaziale Technologie auf Si-Basis die Sonnenenergie von beiden Seiten des Paneels ernten, mit einem um 11 % höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu Standardmodulen.
Dünnschicht-Solarzellen
Die Dünnschicht-Solarzellen der zweiten Generation sind eine der vielversprechendsten PV-Technologien aufgrund ihrer schmalen Bauweise (350-mal kleinere lichtabsorbierende Schichten im Vergleich zu Standard-Si-Panels), ihres geringen Gewichts, ihrer Flexibilität und ihrer einfachen Installation. In der Regel werden vier Arten von Materialien für ihre Konstruktion verwendet: Cadmium-Tellurid (CdTe), amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Gallium-Arsenid (GaAs). Während bei CdTe aufgrund des Cadmiums Bedenken hinsichtlich der Toxizität bestehen, erweisen sich die CIGS-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 21 % als die vielversprechendere, hocheffiziente und wirtschaftlichere Option für private und gewerbliche Anlagen.
Ascent Solar ist einer der führenden Hersteller von Hochleistungs-CIGS-Modulen, wobei die superleichte und extreme CIGS-Technologie in der Raumfahrt, der Luftfahrt, der Regierung und im öffentlichen Sektor eingesetzt wird.
Perowskit-Solarzellen
Unter den Solarzellen der nächsten Generation haben Hybrid-Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen (PSC) aufgrund ihres niedrigen Preises, ihres dünneren Designs, ihrer Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen und ihrer hervorragenden Lichtabsorptionseigenschaften (gute Leistung bei schwachem und diffusem Licht) große Aufmerksamkeit erregt. PSCs können flexibel, leicht und halbtransparent sein. Vor allem können Perowskit-Dünnschichten auch gedruckt werden, was zu einer skalierbaren Herstellung mit hohem Durchsatz führt, und ein kürzlich von Rolle zu Rolle gedrucktes PSC hat einen Wirkungsgrad von 12,2 % erreicht, den höchsten unter den gedruckten PSCs.
Vor allem kombinierte Perowskit- und Si-PV-Materialien haben unter Laborbedingungen einen Rekordwirkungsgrad von bis zu 28 % erreicht, wie von Oxford PV gezeigt wurde. Während Stabilität und Haltbarkeit nach wie vor ein großes Problem darstellen, hat ein kürzlich entwickeltes kostengünstiges Polymer-Glas-Stapel-Verkapselungssystem PSCs in die Lage versetzt, Standardbetriebsbedingungen zu widerstehen. Obwohl PSCs noch nicht kommerziell genutzt werden, bieten sie erhebliche wirtschaftliche und effiziente Vorteile, um die Zukunft des Solarenergiemarktes voranzutreiben.
Welche bahnbrechenden integrativen Solarzellentechnologien gibt es?
Neben innovativen Materialien entstehen auch kreative Methoden, um ein Maximum an Sonnenenergie zu gewinnen. So verwendet das Schweizer Start-up-Unternehmen Insolight integrierte Linsen als optische Verstärker im Schutzglas der Paneele, um die Lichtstrahlen um das 200-fache zu bündeln und dabei einen Wirkungsgrad von 30 % zu erreichen.
Eine weitere neuere Entwicklung ist der Entwurf von Prototypen thermoradiativer PV-Geräte oder umgekehrter Solarpaneele, die nachts Strom erzeugen können, indem sie die von den Paneelen auf den optisch gekoppelten tiefen Raum, der als Wärmesenke dient, abgestrahlte Wärme nutzen.
Interessanterweise gibt es neben innovativen Materialien auch immer mehr integrative Anwendungen, die über die Standard-Dachinstallationen hinausgehen und derzeit noch in den Kinderschuhen stecken. Zum Beispiel kann die solare Destillation Sonnenenergie ernten und gleichzeitig die von den Modulen abgeleitete Wärme zur Wasserreinigung nutzen, wenn es einen integrierten Membran-Destillationsaufsatz gibt.
Eine weitere zukunftsweisende Technologie könnten Solarlacke sein, zu denen Solarlack-Wasserstoff (erzeugt Energie durch photovoltaische Wasserspaltung), Quantenpunkte (photovoltaischer Lack) und Lacke auf Perowskit-Basis gehören.
Außerdem sind transparente Solarfenster hochinnovative Anwendungen, und Ubiquitous Energy hat mit seinen transparenten Materialien einen Wirkungsgrad von 10 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität erreicht. Eine Demonstration der Michigan State University, einem Pionier dieser Technologie, ist in diesem Video zu sehen:
Mit der raschen Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker Halbleitermaterialien, platzsparender dünner Schichten und leicht zu installierender Technologien wird der Solarenergiemarkt in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich einen Boom erleben. Trotz des Rückschlags durch die Pandemie ist die erwartete Kostensenkung von 15 % bis 35 % bis 2024 für Solaranlagen ermutigend und könnte diese erneuerbare Energie erschwinglicher machen.