Solarzellen unterscheiden sich dadurch grundsätzlich von anderen Arten der regenerativen Elektrizitätserzeugung, bei denen lediglich die Antriebsenergie für den Generator nicht konventionell erzeugt wird.
Monokristalline Siliziumzellen
- Monokristalline Siliziumzellen (c-Si) weisen im großtechnischen Einsatz einen Wirkungsgrad über 20 % und eine Leistungsdichte 20–50 W/kg auf. Die Technik gilt als gut beherrscht, die Herstellung erfordert allerdings einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt.
- Polykristalline Zellen, auch Multikristalline Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si), besitzen relativ kurze Energierücklaufzeiten, derzeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis (Stand: September 2008). Sie erreichen inzwischen im großtechnischen Einsatz Wirkungsgrade bis zu 16 %. Experimentelle Zellen erreichen Wirkungsgrade bis zu 18,6 %
Amorphes Silizium
- Amorphes Silizium (a-Si) besitzen zur Zeit den größten Marktanteil bei den Dünnschichtzellen. Die Modulwirkungsgrade liegen zwischen 5 und 7 % und haben eine Leistungsdichte bis ca. 2000 W/kg. Derzeit gibt es keine Materialengpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab.
- Kristallines Silizium, z. B. mikrokristallines Silizium (µc-Si), wird oft in Kombination mit amorphem Silizium als Tandemzellen eingesetzt und erreicht so höhere Wirkungsgrade bis 10 %. Hergestellt werden sie ähnlich wie Solarzellen aus amorphem Silizium.
- Si Wire Array (Laborstadium): Durch Bestücken einer Oberfläche mit dünnsten Drähten ist diese neue Solarzelle biegsam und benötigt nur 1 % der Siliziummenge verglichen mit
III-V-Halbleiter-Solarzellen
GaAs-Zellen zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009
experimentell bis 41,1 %), sehr gute Temperaturbeständigkeit, geringerem
Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen und
Robustheit gegenüber UV-Strahlung aus. Sie sind allerdings sehr teuer in
der Herstellung. Eingesetzt werden sie häufig in der Raumfahrt
(Galliumindiumphosphid, (Ga,In)P/Galliumarsenid, GaAs/Germanium, Ge).
Tripelzellen (Mehrfachsolarzellen mit drei monolithisch gestapelten
p-n-Übergängen) haben den höchsten kommerziell lieferbaren Wirkungsgrad
von fast 30 % mit einer Leistungsdichte von 50 W/kg (bei 17 % um 1000
W/kg)
II-VI-Halbleiter-Solarzellen
CdTe-Zellen sind großtechnisch durch chemische Badabscheidung (CBD) oder
chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sehr günstig herstellbar und
finden Verwendung in Dünnschichtsolarzellen; für eine Laborsolarzelle
sind schon etwa 16 % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade inzwischen
(2007) bei 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt.
I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen
CIS-, CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) bestehen aus
Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dieses
Material findet Anwendung in Dünnschichtsolarzellen – hier ist CIGS das
leistungsstärkste Material mit Laborwirkungsgraden von mittlerweile 20,3
% (Juli 2010). Der Modul-Wirkungsgrad beträgt derzeit 17,4 %.
Organische Solarzellen
(OPV): Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die möglicherweise eine
kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil
ist ihr derzeit noch schlechter Wirkungsgrad von maximal 9,8 % (Stand
Februar 2012)[11] und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der
Zellen.
Grätzel-Zellen
Farbstoffzellen oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe
zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die
Photosynthese anlehnt. Sie sind meistens lila. Diese Zellen liefern den
besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen von über 10 %, haben
jedoch aufgrund aggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer.
Kupferoxid/NaCl-Lösung
Halbleiter-Elektrolytzellen: z. B. Kupferoxid / NaCl-Lösung. Sehr
einfach herstellbare Zelle, jedoch in Leistungsfähigkeit und
Zuverlässigkeit limitiert.
Grundstoff für die Solarzellen
Silizium, der Grundstoff für die Solarzellen, steht in nahezu
unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die vor einiger Zeit aufgetretenen
Materialengpässe an reinem Silizium, die durch unzureichende
Produktionskapazitäten hervorgerufen wurden, konnten durch Erhöhung der
Kapazitäten inzwischen beseitigt werden. Deshalb sinken die Preise für
Solarzellen stark.
Bei exotischeren Solarzellenmaterialien wie etwa beim Indium, Gallium, Tellur und Selen sieht die Situation grundlegend anders aus. Bei den seltenen Metallen Indium und Gallium überschreitet bereits derzeit der weltweite Verbrauch (Indium etwa 850 Tonnen, bei Gallium etwa 165 Tonnen) die jährliche Produktionsmenge um ein Mehrfaches. Besonders nachteilig ist der stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Flüssigkristall- und OLED-Bildschirmherstellung, sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von Leuchtdioden, die sich als energiesparender Glühlampenersatz und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme derzeit in der Markteinführung befinden.
Beim Indium wird zwischen den Jahren 2025 und 2035 mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet, da sich die theoretischen Indiumvorräte im Jahr 2006 auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen beliefen.
Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur (beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der Kupferelektrolyse vor) erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden jedoch nur auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven gar auf nur 43.000 Tonnen geschätzt. Dies ist extrem wenig, selbst im Vergleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen.
Problematisch ist, dass viele Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt werden, eine ungünstige Materialökonomie aufweisen.
Recyclingansätze, die etwa beim Kupfer zum normalen Materialkreislauf gehören, greifen bei Gallium, Indium, Selen und Tellur nicht. Die Materialien werden meist in komplexe Vielstoff-Schichtstrukturen eingebunden und dadurch so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung auch in Zukunft vermutlich nicht möglich sein wird.
Bei exotischeren Solarzellenmaterialien wie etwa beim Indium, Gallium, Tellur und Selen sieht die Situation grundlegend anders aus. Bei den seltenen Metallen Indium und Gallium überschreitet bereits derzeit der weltweite Verbrauch (Indium etwa 850 Tonnen, bei Gallium etwa 165 Tonnen) die jährliche Produktionsmenge um ein Mehrfaches. Besonders nachteilig ist der stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Flüssigkristall- und OLED-Bildschirmherstellung, sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von Leuchtdioden, die sich als energiesparender Glühlampenersatz und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme derzeit in der Markteinführung befinden.
Beim Indium wird zwischen den Jahren 2025 und 2035 mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet, da sich die theoretischen Indiumvorräte im Jahr 2006 auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen beliefen.
Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur (beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der Kupferelektrolyse vor) erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden jedoch nur auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven gar auf nur 43.000 Tonnen geschätzt. Dies ist extrem wenig, selbst im Vergleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen.
Problematisch ist, dass viele Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt werden, eine ungünstige Materialökonomie aufweisen.
Recyclingansätze, die etwa beim Kupfer zum normalen Materialkreislauf gehören, greifen bei Gallium, Indium, Selen und Tellur nicht. Die Materialien werden meist in komplexe Vielstoff-Schichtstrukturen eingebunden und dadurch so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung auch in Zukunft vermutlich nicht möglich sein wird.
Bauweise Solarzellen
Neben dem Material ist die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet
verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der
Kontaktierung der transparenten, jedoch hochohmigen Deckelektrode
(schmale oder sogar durchsichtige Kontakte).
Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.
Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, überwiegend aus Silizium. Auch III/V-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter anderem an Raumsonden). Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet. Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung.
Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die Zellen werden dafür mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen, und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenes Laub) müssen jedoch zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden, die die abgeschatteten Zellen überbrücken können.
Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.
Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, überwiegend aus Silizium. Auch III/V-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter anderem an Raumsonden). Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet. Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung.
Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die Zellen werden dafür mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen, und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenes Laub) müssen jedoch zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden, die die abgeschatteten Zellen überbrücken können.
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