Damit Sie die von uns hier zusammengestellten Errungenschaften undForschungsergebnisse zur Photovoltaiktechnologie und -technik zu würdigenwissen, gibt’s als Erstes einen kurzen Crashkurs zur Photovoltaik von uns. Dennwenn wir anschließend zum Beispiel von einer Steigerung des Wirkungsgrades derTechnik von 20 auf 29 Prozent schreiben, sollten Sie zumindest einschätzenkönnen, ob das nun viel oder wenig ist. Los geht’s mit:
Technische Komponenten derPhotovoltaikanlage – Stellschrauben für technologischen Fortschritt
Eine Photovoltaikanlage besteht aus verschiedenentechnischen Komponenten, die im Zusammenspiel ihre Leistung ausmachen: Und dieist ausschlaggebend für den Solarertrag der Anlage, also die Menge anSolarstrom, die diese erzeugt.
Kernstück der Anlage sind die Solarmodule. Das sinddie Platten, die Sie auf Dächern, an Fassaden und Balkonbrüstungen oder inReihen aufgetischt auf Gestellen zum Beispiel auf Freiflächen (sognannteFreiflächenanlagen) rechts und links der Autobahnen sehen. Die Module (Platten)sind aus vielen Solarzellen zusammengesetzt. Das sind mehrschichtige Gebildeaus Halbleitermaterial, derzeit meist Silizium (Quarzsand). Zwischen zweiunterschiedlich geladenen Siliziumschichten,
· die eine istmit Phosphor (negative geladene Schicht, auch n-dotierte Schicht genannt)
· und die anderemit Bor (positiv geladene Schicht, auch p-dotierte Schicht genannt)
versetzt (dotiert), gibt es eine Grenzschicht.
Jede einzelne Solarzelle erzeugt als eine ArtMinikraftwerk Elektrizität, indem sie sich das photovoltaische Prinzip zunutzemacht. Das basiert darauf, dass das Sonnenlicht, das auf die Solarmodule unddamit Solarzellen trifft, kleine elektromagnetisch, also energiegeladeneTeilchen mit sich bringt: die sogenannten Photonen.
Das Auftreffen der Lichtphotonen löst in derSolarzelle einen komplexen physikalischen Effekt aus. Denn wenn die Photonenauf das halbleitende Material treffen, werden die Elektronen in den Siliziumschichtenangeregt, sich zu bewegen. Das in der Solarzelle zwischen den zweiSiliziumschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit (bedingt durch einenElektronenmangel und einen Elektronenüberschuss) bestehende elektrische Feldverändert infolgedessen seine Ladungseigenschaften. Zudem werden auch Elektronenfrei. Diese können die Grenzschicht passieren. Es kommt zu einem Stromfluss.Der so erzeugte Strom lässt sich über Metallkontakte aus der Zelle führen.
Über die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle gibt ihrWirkungsgrad Auskunft. Gängige Solarzellen kommen je nach Material, technischemAufbau und Verarbeitung zurzeit auf Wirkungsgrade zwischen im Schnitt 15 bisknapp über 20 Prozent. Anders ausgedrückt: Gut ein Fünftel der auftreffendenLichtenergie wird in nutzbaren Strom umgewandelt. Das klingt nicht sehreffizient. Aber: Viele Solarzellen erzeugen eine Menge erneuerbaren Strom.
Weitere Komponenten der Photovoltaikanlage sind derWechselrichter, der aus dem von der Solarzelle erzeugten GleichstromWechselstrom macht. Dieser kann von Stromverbrauchern (elektrische Geräte) entwederdirekt benutzt oder zunächst in einem Stromspeicher (Batterie)zwischengespeichert werden. Oder er wird unter Einbindung eines Stromzählersins Netz eingespeist.
Der Wechselrichter ist hier noch einmal besondersherauszustellen. Denn beim Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom tretenStromverluste auf, die den Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage beeinträchtigen.
Gut zu wissen: Stromverluste treten auch beimTransport über die zuerst Gleichstromkabel bis zum Wechselrichter und dannWechselstromkabel bis zum Verbraucher, Speicher oder Einspeisepunkt auf.
Insbesondere die Komponenten, die großen Einfluss aufden Wirkungsgrad haben, sind Stellschrauben für höhere Erträge.
Neues aus den Forschungslaborenzu Solartechnologie
Forscher setzen unter anderem beim Wirkungsgrad derSolarzelle an – ihr Ziel: Ein höherer Wirkungsgrad pro Zelle und damit mehrAusbeute an Solarstrom von der ganzen Photovoltaik-Anlage.
EffizienteSolarzellentechnologie dank neuer Materialien und Stapelaufbau
Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE meldete im vergangenen Jahr, dass es seinenForschern gelungen sei, die effizienteste Solarzelle, eine sogenannteVierfachsolarzelle, der Welt zu entwickeln. Der Wirkungsgrad: 47,6 Prozent –allerdings bei 665-facher Sonnenkonzentration. Dazu wird das Sonnenlicht mitHilfe von Linsen gebündelt.
Dieeffizienteste Solarzelle der Welt ist nach der Beschreibung des ISE in derzugehörigen Pressemeldung eine Tandemsolarzelle, auchStapelsolarzelle genannt, aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) undAluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die oben auf eine zweite Tandemsolarzelleaus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid(GaInAs) gebondet worden sei.
DieSolarzellenschichten habe man mit verbesserten Kontaktschichten und einer4-lagigen Antireflexionsschicht ausgerüstet. Erstere sollen Widerstandsverlustesenken, zweitere die Reflexion an der Vorderseite der Zelle. Diese sei demnach ineinem breiten Spektralbereich von 300 bis 1.780 Nanometern empfindlich. ZumVergleich: Herkömmliche Solarzellen aus Silicium würden das Sonnenlicht lautISE nur bis zu einer Wellenlänge von 1.200 Nanometern absorbieren und bräuchtensomit keine derart breitbandige Entspiegelung.
[[Bilder sind unter dem ISE-Link downloadbar]]
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Lichtbündelung zur Leistungssteigerung von PV – das sei dem pv-magazine zufolge der Forschungsansatz des SchweizerStart-up Insolight, das an Modulen arbeite, bei denen speziell geformteGlaskörper das Sonnenlicht bündeln. Das soll Wirkungsgrade von an die 29Prozent bringen.
Als Hoffnungsträger für stärkere PV-Leistungen gelten auchsogenannte Perowskit-Solarzellen aus ferroelektrischen Materialien, zumBeispiel Barium-, Strontium- oder Calciumnitrat, die laut dem pv-magazine auf Wirkungsgrade von bis zu 29plusProzent kämen.
Spannend ist auch diese Entdeckung von Forschern der Universität von Yorkin Großbritannien – sie könnte die Lebensdauer von Solarmodulen sehrsteigern: Das Material Antimonselenid, ein Solarabsorber, verfüge demnach über Selbstheilungskräfte.Professor Keith McKenna von der Fakultät für Physik sagte gegenüber der Presse, dass der Prozess, mit dem sich dieseshalbleitende Material selbst heile, vergleichbar mit der Fähigkeit einesSalamanders sei, Gliedmaßen nachwachsen zu lassen, wenn eine abgetrennt wurde.Antimonselenid repariere demnach gebrochene Bindungen, die bei der Spaltung desMaterials entstünden, indem es neue bilde. Professor McKenna fügte hinzu, dassAntimonselenid ebenso wie das eng verwandte Material Antimonsulfid in der Lageseien, gebrochene Bindungen an Oberflächen mit strukturellen Rekonstruktionen zuheilen und so problematische elektronische Zustände zu beseitigen.
Effiziente Solartracker für ein Maximuman Sonnenlicht auf den Solarmodulen
Für einen deutlichen Mehrertrag an Solarstrom sorgen sogenannte Solartracker: Das sind technische Systeme, die dieSolarmodule optimal gen Sonne ausrichten. Gegenüber statischen PV-Anlagensollen die Modelle mit modernem Nachverfolgungssystem Mehrerträge von 40 undmehr Prozent einfahren. Kombiniere man die Tracker zudem noch mit modernerSensortechnik, könnten mögliche Mehrerträge noch um einiges gesteigert werden:Denn dank der Sensoren würden die Module immer nach der energiereichsten Stelleder Sonnenstrahlung ausgerichtet werden – gemessen an deren Strahlungsintensität.
Neue Batteriespeicher: Stromspeichernim Durchfluss
Mit Speichern lässt sich ein in sonnigen Zeiten erzeugter Überschuss anSolarstrom puffern und zu einem späteren Zeitpunkt nutzen. Aktuell arbeitet derGroßteil der Batteriespeicher mit der Lithium-Ionen-Technologie. Geforscht wird an Alternativen,
· dieeine längere Lebensdauer haben und damit häufiger be- und entladbar
· sowienicht brennbar sind, so dass man sie beliebig stapeln kann, was Platz spart.
Das Start-up CMBlu aus Alzenau in Bayern entwickelte nicht brennbareBatterien auf Basis eines Kohlenstoffgranulats namens Organic Solid. DessenVorteil sei es, dass es bei Ladevorgängen nicht verschleiße, so dass dieBatterie nicht mit jedem Ladezyklus schwächer werde. EineCMBlu-Batterie (Fassungsvermögen 200 Kilowattstunden (kWh) Energie) bestehedemnach aus einem großen Würfel-Kanister, der mit dem Granulat gefüllt sei. Siepasse genau auf eine Europalette, was das Stapeln erleichtere. Ergänzt werdedas Granulat mit einem Elektrolyten, eine nicht-brennbare Flüssigkeit.
Die CMBlu-Batterie gilt als sogenannteRedox-Flow-Batterie (RFB), die auch Durchflussbatterien genannt werden.
Sofunktionieren RFB: In denbeiden Elektrolyten stecken die Redoxarten in Form gelöster Salze. Diese tragendie elektrische Ladung. Die Durchflussbatterie hat eine zentraleelektrochemische Zelle und zwei Lagertanks mit jeweils einem der beiden Elektrolyten.Während des Batteriebetriebs werden die Elektrolyte von den Speichertanks zurelektrochemischen Zelle geführt, wo der Austausch der Elektronen geschieht unddann in den Speicher zurückfindet. So wird die Batterie nach und nach be- oderentladen, während die Elektrolyte umgewandelt werden. Das Ganze ist einesogenannte reversible Reduktion-Oxidation-Reaktion zwischen den beidenflüssigen Elektrolyten.
Höherer Durchsatz bei Produktion von Solarzellen
Der sogenannteDurchsatz ist ein Gradmesser für die Effizienz einer Produktionslinie fürSolarzellen. Je höher er ist, desto mehr wird in einer bestimmten Zeitgefertigt. Forscher des Fraunhofer ISE entwickelten lautdiesem Bericht im Rahmen des Projekts NextTec ein sogenanntes Proof ofConcept, das den derzeit üblichen Durchsatz einer Produktionslinie für Wafer –so nennt man die Halbleiterscheiben, die der Solarzelle als Kernstück dienen –verdopple.
Solarenergie vonSolarparks im Weltall
Diese News der ESA (European Space Agency), der EuropäischenWeltraumorganisation, klingen für Sie vielleicht nach Zukunftsmusik: Doch währendErzeuger von Solarstrom für den Bau ihrer Solarparks mit Landwirtschaft,Siedlungsbau und Naturschutz um Flächen ringen, zeigte die ESA die Ergebnisse erster Solaris-Experimente dazu, wie sich Solarparks, die imWeltall installiert werden, einsetzen lassen könnten, um unseren Energiebedarfauf der Erde künftig mit Sonnenstrom zu stillen.
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Der große Vorteil der Weltraumsolarparks sei laut der ESA: An derOberfläche der Atmosphäre rund um den Erdball sei die Lichtintensität derSonnenstrahlung um ein Zehnfaches höher als an der Erdoberfläche. Und weil dortoben im Orbit auch keine Wolken zwischen Sonne und Solarmodul schwebten, kommees auch zu keiner ertragsmindernden Verschattung. Das Fehlen von Tag und Nachtsorge zudem für eine Verfügbarkeit von Sonnenlicht rund um die Uhr.
Auch Forscher vom Caltech Institut in Pasadena in Kalifornien,USA,verkündeten, dass es ihnen gelungen sei, Solarenergie in Form von Mikrowellen zunächstvon einem mit Solarmodulen bestückten Satelliten zum nächsten und schließlichauf die Erde zu beamen.
