Dezember 6, 2022

Grundlagen der photovoltaischen Solartechnik

Die Photovoltaik (oft als PV abgekürzt) hat ihren Namen von dem Prozess der Umwandlung von Licht (Photonen) in Elektrizität (Spannung), der als photovoltaischer Effekt bezeichnet wird. Dieses Phänomen wurde erstmals 1954 von Wissenschaftlern der Bell Laboratories genutzt, die eine funktionierende Solarzelle aus Silizium herstellten, die bei Sonneneinstrahlung einen elektrischen Strom erzeugte. Schon bald wurden Solarzellen zur Stromversorgung von Weltraumsatelliten und kleineren Geräten wie Taschenrechnern und Uhren eingesetzt. Heute ist Strom aus Solarzellen in vielen Regionen zu wettbewerbsfähigen Preisen erhältlich, und Photovoltaiksysteme werden in großem Maßstab zur Stromversorgung des Stromnetzes eingesetzt.

Silizium-Solarzellen

Die überwiegende Mehrheit der heutigen Solarzellen besteht aus Silizium und bietet sowohl günstige Preise als auch einen guten Wirkungsgrad (die Rate, mit der die Solarzelle Sonnenlicht in Strom umwandelt). Diese Zellen werden in der Regel zu größeren Modulen zusammengesetzt, die auf den Dächern von Wohn- oder Geschäftsgebäuden installiert oder auf Freiflächengestellen aufgestellt werden können, um riesige Systeme im Versorgungsbereich zu schaffen.

Dünnschicht-Solarzellen

Eine weitere häufig eingesetzte Photovoltaik-Technologie ist als Dünnschicht-Solarzelle bekannt, da sie aus sehr dünnen Schichten von Halbleitermaterial wie Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid besteht. Die Dicke dieser Zellschichten beträgt nur wenige Mikrometer, d. h. einige Millionstel eines Meters.

Dünnschicht-Solarzellen können flexibel und leicht sein, was sie ideal für tragbare Anwendungen macht – z. B. im Rucksack eines Soldaten – oder für den Einsatz in anderen Produkten wie Fenstern, die Strom aus der Sonne erzeugen. Einige Arten von Dünnschicht-Solarzellen profitieren auch von Herstellungstechniken, die weniger Energie benötigen und einfacher zu skalieren sind als die Herstellungstechniken, die für Silizium-Solarzellen erforderlich sind.

III-V-Solarzellen

Eine dritte Art von Photovoltaiktechnologie ist nach den Elementen benannt, aus denen sie besteht. III-V-Solarzellen werden hauptsächlich aus Elementen der Gruppe III – z. B. Gallium und Indium – und der Gruppe V – z. B. Arsen und Antimon – des Periodensystems hergestellt. Diese Solarzellen sind in der Regel in der Herstellung wesentlich teurer als andere Technologien. Dafür wandeln sie das Sonnenlicht mit einem viel höheren Wirkungsgrad in Strom um. Aus diesem Grund werden diese Solarzellen häufig in Satelliten, unbemannten Luftfahrzeugen und anderen Anwendungen eingesetzt, die ein hohes Verhältnis von Leistung zu Gewicht erfordern.

Solarzellen der nächsten Generation

Solarzellenforscher am NREL und anderswo arbeiten auch an vielen neuen Photovoltaik-Technologien, wie z. B. Solarzellen aus organischen Materialien, Quantenpunkten und hybriden organisch-anorganischen Materialien (auch als Perowskite bekannt). Diese Technologien der nächsten Generation könnten niedrigere Kosten, eine einfachere Herstellung oder andere Vorteile bieten. Weitere Forschungen werden zeigen, ob sich diese Versprechen verwirklichen lassen.

Forschung zu Zuverlässigkeit und Netzintegration

Bei der Photovoltaik-Forschung geht es um mehr als nur die Herstellung einer hocheffizienten, kostengünstigen Solarzelle. Hausbesitzer und Unternehmen müssen darauf vertrauen können, dass die von ihnen installierten Solarmodule nicht an Leistung einbüßen und über viele Jahre hinweg zuverlässig Strom erzeugen werden. Versorgungsunternehmen und staatliche Regulierungsbehörden wollen wissen, wie sie PV-Solaranlagen in das Stromnetz einbinden können, ohne das sorgfältige Gleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage zu stören.

Materialwissenschaftler, Wirtschaftsanalysten, Elektroingenieure und viele andere am NREL arbeiten daran, diese Bedenken auszuräumen und sicherzustellen, dass die Photovoltaik eine saubere und zuverlässige Energiequelle ist.