Photovoltaik, Solarzellen und PV-Module

Eine vielversprechende erneuerbare Energie ist die Photovoltaik. Dabei wird solare Strahlungsenergie mittels Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Zum Einsatz kommen in Photovoltaikanlagen verschiedene Technologien, weit verbreitet sind Silizium-Solarzellen. In Deutschland werden Forschungsprojekte zur Photovoltaik und der Ausbau der solaren Energieerzeugung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Aufgrund der Forschungsförderung und der Vergütung von mit Photovoltaik erzeugten Strom auf Basis des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sind im Bereich der Solartechnik die Kosten bereits deutlich gesunken. Ziel der Forschungen ist, die Wirkungsgrade der Photovoltaik weiter zu erhöhen, durch effizientere Produktionsverfahren eine Kostensenkung zu erzielen und den Materialverbrauch zu reduzieren sowie die Lebensdauer der Komponenten für Solaranlagen zu erhöhen.1 Bis 2035 wird ein Anwachsen der auf Photovoltaik basierenden installierten Leistung auf über 150 GW erwartet, dies entspricht einem Anteil von rund 20 Prozent an der gesamten Stromerzeugung.2 Weil die Photovoltaik einen entscheidenden Beitrag zur künftigen Stromversorgung Deutschlands leistet, hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) das Kompetenzzentrum Photovoltaik-Metrologie installiert. Dieses verfügt über Labor- und Freifeldkalibrierverfahren mit geringsten Messunsicherheiten und unterstützt deutsche Firmen mit Kalibrierdienstleistungen. Bei der Solarzellenkalibrierung ist die PTB weltweit führend, durch das Kompetenzzentrum erweitert sich das Angebot um den Bereich Solarmodule. Für diese werden Referenzmessplätze aufgebaut, um die Eigenschaften von Solarzellen und -modulen detailgenau ermitteln zu können.3

Solarzellen und Photovoltaik-Module

Bei dem Bau von Photovoltaikanlagen kommen diverse Module und Solarzellen zum Einsatz. Einen besonders hohen Wirkungsgrad haben Solarzellen aus Silizium, kommerziell produzierte erreichen einen bis zu 20 Prozent. Um die Wirkungsgrade weiter zu steigern, werden Module für Photovoltaikanlagen stetig durch Forschung und Weiterentwicklung verbessert. Bislang verfügen die meisten Solarmodule sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite über elektrische Kontakte. Durch eine Kontaktierung ausschließlich auf der Rückseite würde die Verschattung auf der Vorderseite vermieden, so dass der Wirkungsgrad gesteigert werden könnte. Allerdings ist die Verschaltung der einzelnen Solarzellen und deren Einbau in Photovoltaik-Module bei dieser Konstruktionsweise aufwändiger, so dass sie bisher noch kein Standard ist. Des Weiteren wird an bifacialen Solarzellen geforscht, die nicht nur auf der Vorderseite, sondern auch auf die Rückseite reflektiertes Licht zur Stromerzeugung nutzen können. Dabei spielt auch die Beschaffenheit des Bodens eine Rolle, ein heller Untergrund reflektiert das Licht besser als ein dunkler. Mit bifacialen Solarzellen lassen sich zehn bis 30 Prozent mehr Strom erzeugen als mit herkömmlichen Modulen für Photovoltaikanlagen. Außerdem können Solarmodule nach dem Lauf der Sonne ausgerichtet werden, was vor allem für große Solarparks infrage kommt. Diese Technik wird in der Photovoltaik bereits genutzt. Bei der Erforschung alternativer Materialien für die Solarzellen der Module von Photovoltaikanlagen werden verschiedene Strategien verfolgt. Für die Entwicklung sogenannter Tandemsolarzellen bieten sich Perowskite an, die mit Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Zellen kombiniert werden. Eine Steigerung des Wirkungsgrads auf 30 Prozent könnte damit möglich sein.4 Des Weiteren wird an Solarzellen aus Cadmiumtellurid beziehungsweise Galliumarsenid geforscht. Diese sind deutlich dünner als Solarzellen aus Silizium. Eine Dünnschichtsolarzelle aus Galliumarsenid weist nur circa ein Zehntel der Dicke von Siliziumsolarzellen auf. Auf der Rückseite des schmalen Halbleiters befindet sich zudem noch eine Spiegelschicht aus Silber und Titandioxid, so dass ein Wirkungsgrad von knapp 20 Prozent erreicht wird. Solarzellen aus Galliumarsenid, die so dick sind wie die herkömmlichen Zellen, haben einen Wirkungsgrad von rund 29 Prozent. Auch aus anderen Halbleitern wie Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid sollten sich derartige Dünnschichtsolarzellen verwirklichen lassen.5

Strom erzeugende Solarfenster

Nicht nur eine Photovoltaikanlage ist geeignet, um Strom zu erzeugen, inzwischen gibt es einige interessante Innovationen, wie zum Beispiel Fenster mit Photovoltaik. Diese intelligenten Solarfenster können von einem durchsichtigen Zustand in einen dunklen, photovoltaisch aktiven wechseln. Für diese Art der Photovoltaik wird Perowskit genutzt, das in einer nur 200 Nanometer dünnen Schicht auf Glas aufgebracht wird. Bei Raumtemperatur fallen über 80 Prozent des sichtbaren Lichts durch ein solches Fenster ein, steigert sich die Temperatur bei Sonneneinstrahlung auf mehr als 100 Grad Celsius, färbt es sich orangerot und verwandelt sich dabei in eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa sieben Prozent. Durch Abkühlung und Feuchtigkeit lässt sich der Prozess umkehren. Vor allem für verglaste Gebäude bieten sich photovoltaisch aktive Fenster an, da sie sowohl Strom produzieren, was der Energieeffizienz zugutekommt, als auch zur Abschirmung von Sonnenlicht dienen. Ein anderes Anwendungsfeld für diese Art der Photovoltaik wären zum Beispiel elektronische Anzeigetafeln.6 Weiterhin werden organische Solarfolien entwickelt, die einfach auf ein Fenster aufgeklebt werden und somit auch von Privatpersonen zur Selbstversorgung mit Strom genutzt werden können. Es besteht sogar die Möglichkeit, dass sich aufgrund solcher Neuerungen sogenannte Peer-to-Peer-Netzwerke bilden, die den Strommarkt revolutionieren könnten.7

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