Dünnschichtsolarzellen

Bis zu 85 % der heute auf dem Markt befindlichen Solarzellen sind kristalline Solarmodule. Experten versichern jedoch, dass sich die Dünnschichttechnologie zur Herstellung von Solarzellen als effizienter und damit als das vielversprechendste der bereits bekannten Kristallmodule erweist.

Der Hauptvorteil der Dünnschichttechnologie sind ihre geringen Kosten, weshalb sie in den kommenden Jahren alle Chancen hat, führend zu werden. Die Module der neuen Basis machen Solarmodule im wahrsten Sinne des Wortes flexibel. Sie sind leicht und flexibel, sodass Sie solche Batterien praktisch auf jeder Oberfläche platzieren können, auch auf der Oberfläche von Kleidung.

Flexible Solarzellen basieren auf Polymerfolien, amorphem Silizium, Aluminium, Cadmiumtellurid und anderen Halbleitern, die bereits in der Herstellung tragbarer Ladegeräte für Mobiltelefone, Laptops, Tablets, Videokameras und andere Geräte in Form kleiner faltbarer Geräte verwendet werden Solarzellen. Wird jedoch mehr Leistung benötigt, muss die Fläche des Moduls größer sein.

Die ersten Muster von Dünnschichtsolarzellen wurden mit auf einem Substrat abgeschiedenem amorphem Silizium hergestellt. Der Wirkungsgrad betrug nur 4 bis 5 % und die Lebensdauer war nicht lang. Der nächste Schritt der gleichen Technologie bestand darin, den Wirkungsgrad auf 8 % zu steigern und die Lebensdauer zu verlängern, sie wurde mit ihren Kristall-Vorgängern vergleichbar. Schließlich hatte die dritte Generation von Dünnschichtmodulen bereits einen Wirkungsgrad von 12 %, was bereits einen deutlichen Fortschritt und Wettbewerbsfähigkeit darstellt.

Das hier verwendete Indiumkupferselenid und Cadmiumtellurid haben die Herstellung flexibler Solarzellen und tragbarer Ladegeräte mit einem Wirkungsgrad von bis zu 10 % ermöglicht, und das ist bereits eine beachtliche Leistung, wenn man bedenkt, dass Physiker um jedes zusätzliche Prozent Effizienz kämpfen. Schauen wir uns nun genauer an, wie Dünnschichtbatterien hergestellt werden.

Cadmiumtellurid wurde bereits in den 1970er Jahren als lichtabsorbierendes Material untersucht, als es darum ging, die beste Option für den Einsatz im Weltraum zu finden. Bis heute ist Cadmiumtellurid das vielversprechendste Material für Solarzellen. Die Frage der Cadmiumtoxizität bleibt jedoch noch einige Zeit offen.

Als Ergebnis der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Gefahr minimal ist und der in die Atmosphäre freigesetzte Cadmiumgehalt nicht gefährlich ist. Der Wirkungsgrad beträgt 11 %, während der Preis pro Watt um ein Drittel niedriger ist als bei Silizium-Pendants.

Nun zu Kupferindiumselenid. Heutzutage wird für die Herstellung von Flachbildschirmen eine beträchtliche Menge Indium verwendet, daher wird Indium dennoch durch Gallium ersetzt, das die gleichen Eigenschaften hat Solarenergie… Folienbatterien erreichen auf dieser Basis einen Wirkungsgrad von 20 %.

Vor kurzem wurde mit der Entwicklung von Polymerplatten begonnen.Als lichtabsorbierende Materialien dienen hier organische Halbleiter: Kohlenstofffullerene, Polyphenylen, Kupferphthalocyanin etc. Die Dicke der Solarzelle beträgt 100 nm, der Wirkungsgrad beträgt jedoch nur 5 bis 6 %. Gleichzeitig sind die Produktionskosten recht niedrig, Filme erschwinglich, leicht und absolut umweltfreundlich. Aus diesem Grund sind Harzplatten dort beliebt, wo es auf Umweltfreundlichkeit und mechanische Flexibilität ankommt.

Der Wirkungsgrad der heute hergestellten Dünnschichtsolarzellen beträgt also:

• Einkristall – von 17 bis 22 %;

• Polykristall – von 12 bis 18 %;

• Amorphes Silizium – 5 bis 6 %;

• Cadmiumtellurid – von 10 bis 12 %;

• Kupfer-Indium-Selenid – 15 bis 20 %;

• Organische Polymere – 5 bis 6 %.

Was sind die Eigenschaften von Dünnschichtbatterien? Erwähnenswert ist zunächst die hohe Leistung der Module auch bei diffusem Licht, die im Vergleich zu Kristallanaloga bis zu 15 % mehr Leistung im Laufe des Jahres liefern. Als nächstes kommt der Herstellungskostenvorteil. In Hochleistungssystemen ab 10 kW weisen Dünnschichtmodule einen höheren Wirkungsgrad auf, obwohl 2,5-mal mehr Fläche benötigt wird.

Somit können wir die Bedingungen benennen, unter denen Dünnschichtmodule einen berechtigten Vorteil erlangen. In Regionen mit überwiegend bewölktem Wetter arbeiten Dünnschichtbatterien effizient (diffuses Licht). In Regionen mit heißem Klima sind dünne Filme effizienter (sie funktionieren bei hohen Temperaturen genauso effektiv wie bei niedrigen Temperaturen). Einsatzmöglichkeit als dekorative Designlösung für die Veredelung von Gebäudefassaden. Eine Transparenz von bis zu 20 % ist möglich, was wiederum den Designern in die Karten spielt.

Unterdessen schlug das amerikanische Unternehmen Solyndra im Jahr 2008 vor, Dünnschichtbatterien auf Zylindern zu platzieren, bei denen eine Fotozellenschicht auf eine Glasröhre aufgebracht wird, die in einer anderen Röhre mit elektrischen Kontakten platziert wird. Die verwendeten Materialien sind Kupfer, Selen, Gallium, Indium.

Durch das zylindrische Design kann mehr Licht absorbiert werden, und pro Meter zweier Paneele passt ein Satz von 40 Zylindern. Der Clou dabei ist, dass die weiße Dachbeschichtung zur hohen Effizienz einer solchen Lösung beiträgt, denn dann wirken auch die reflektierten Strahlen und addieren 20 % ihrer Energie. Darüber hinaus sind die zylindrischen Sets selbst bei starkem Wind mit Böen von bis zu 55 m/s resistent.

Die meisten heute hergestellten Solarzellen enthalten nur einen pn-Übergang, und Photonen mit einer Energie kleiner als der Bandlücke nehmen einfach nicht an der Erzeugung teil. Dann fanden Wissenschaftler einen Weg, diese Einschränkung zu überwinden: Es wurden Kaskadenelemente mit einer mehrschichtigen Struktur entwickelt, bei denen jede Schicht ihre eigene Bandbreite hat, das heißt, jede Schicht hat einen separaten pn-Übergang mit einem individuellen Wert der absorbierten Energie Photonen.

Die obere Schicht besteht aus einer Legierung auf Basis von hydriertem amorphem Silizium, die zweite aus einer ähnlichen Legierung mit Zusatz von Germanium (10-15 %), die dritte aus einer Zusatzlegierung von 40 bis 50 % Germanium. Somit hat jede nachfolgende Schicht einen engeren Spalt als die vorherige Schicht, und die nicht absorbierten Photonen in den oberen Schichten werden von den darunter liegenden Schichten des Films absorbiert.

Bei diesem Ansatz werden die Kosten der erzeugten Energie im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Siliziumzellen halbiert. Im Ergebnis wurde mit einem Drei-Pass-Film ein Wirkungsgrad von 31 % erreicht, ein Fünf-Pass-Film verspricht ganze 43 %.

Kürzlich haben Spezialisten der Moskauer Staatsuniversität Rollsolarzellen entwickelt, die auf einem Polymer basieren, das auf ein flexibles Substrat aus organischem Material aufgetragen wird. Es stellte sich heraus, dass der Wirkungsgrad nur 4 % betrug, aber solche Batterien können sogar bei +80 °C 10.000 Stunden lang arbeiten. Diese Studien sind noch nicht abgeschlossen.

Schweizer Wissenschaftler erreichten auf Polymerbasis einen Wirkungsgrad von 20,4 %, als Halbleiter kamen Indium, Kupfer, Selen und Gallium zum Einsatz. Heute ist dies ein Rekord für Elemente auf einem dünnen Polymerfilm.

In Japan erreichten sie einen Wirkungsgrad von 19,7 % bei ähnlichen (Indium, Selen, Kupfer) Sputter-abgeschiedenen Halbleitern. Und in Japan begann man mit der Produktion von Solargewebe. Stoffsolarpaneele wurden entwickelt, bei denen zylindrische Elemente mit einem Durchmesser von etwa 1,2 Millimetern am Gewebe befestigt wurden. Anfang 2015 planten sie, auf dieser Basis mit der Produktion von Bekleidung und Sonnenschirmen zu beginnen.

Es ist offensichtlich, dass Dünnschicht-Solarmodule in naher Zukunft endlich allgemein für die Bevölkerung verfügbar sein werden. Nicht umsonst wird weltweit so viel geforscht, um die Kosten zu senken.