Dank technologischer Fortschritte und der Skalierung der Industrie sinken die Kosten der Photovoltaik-Stromerzeugung kontinuierlich, wodurch sie sich zu einer zentralen Energiequelle für eine nachhaltige Entwicklung in der Zukunft entwickelt.
Wichtige Komponenten der Photovoltaik-Technologie
Kernstück der Photovoltaik-Technologie ist die Solarzelle. Ihre Entwicklung lässt sich in drei Generationen unterteilen. Die erste Generation umfasst Silizium-Solarzellen, die zweite Dünnschicht-Solarzellen und die dritte neue Technologien wie hochkonzentrierende Photovoltaikzellen (HCPV), organische Solarzellen, flexible Solarzellen und farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Aktuell dominieren Silizium-Solarzellen den Markt, während Dünnschichtzellen zunehmend Marktanteile gewinnen. Die meisten Zellen der dritten Generation, mit Ausnahme von HCPV, befinden sich noch in der Forschungsphase.
Siliziumbasierte Solarzellen
Unter den Silizium-Solarzellen ist die monokristalline Siliziumtechnologie am weitesten entwickelt. Wirkungsgrad und Kosten dieser Zellen werden primär durch den Herstellungsprozess beeinflusst, der Schritte wie das Gießen von Gussblöcken, das Schneiden der Wafer, die Diffusion, die Texturierung, den Siebdruck und das Sintern umfasst. Solarzellen, die mit diesem konventionellen Verfahren hergestellt werden, erreichen typischerweise einen photoelektrischen Wirkungsgrad von 16–18 %.
Monokristalline Silizium-Solarzellen weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, sind aber auch am teuersten. Polykristalline Silizium-Solarzellen bieten eine deutliche Kostenreduzierung, da sie direkt aus großformatigen, quadratischen Siliziumblöcken hergestellt werden, die sich für die Massenproduktion eignen. Dieses Verfahren ist einfacher, spart Energie, schont Siliziummaterial und erfordert eine geringere Materialqualität.
Die Kosten von Solarzellen lassen sich durch zwei Hauptstrategien senken: Verringerung des Materialverbrauchs (z. B. durch Reduzierung der Siliziumwaferdicke) und Steigerung des Wirkungsgrades. Methoden zur Effizienzsteigerung umfassen die Erhöhung der Lichtabsorption (z. B. durch Oberflächentexturierung, Antireflexbeschichtung, Verringerung der Breite der Frontelektrode), die Verringerung der Rekombination von photogenerierten Ladungsträgern (z. B. durch Emitterpassivierung) und die Minimierung des Widerstands (z. B. durch lokale Dotierung, Rückseitenfeldtechnologie).
Der höchste jemals für monokristalline Silizium-Solarzellen erreichte Wirkungsgrad liegt bei 24,7 % und wurde mit der PERL-Solarzelle der University of New South Wales erzielt. Zu den wichtigsten technologischen Merkmalen zählen eine geringe Phosphor-Dotierungskonzentration auf der Siliziumoberfläche zur Reduzierung der Oberflächenrekombination, eine hohe Diffusionskonzentration unter den Vorder- und Rückseitenelektroden zur Ausbildung guter ohmscher Kontakte sowie der Einsatz von Fotolithografie zur Verengung der Vorderseitenelektroden, wodurch die Lichtabsorptionsfläche vergrößert wird. Diese Technologie ist jedoch noch nicht industrialisiert.
Zu den weiteren Techniken zur Effizienzsteigerung gehören die von BP Solar entwickelten, oberflächenstrukturierten Zellen mit Rillen und die Rückseitenkontakt-Technologie (EWT). Erstere erreichen einen Wirkungsgrad von 18,3 % durch Laserrillen, wodurch die Breite der vorderen Elektroden reduziert und die Lichtabsorption erhöht wird. Letztere erzielt einen Wirkungsgrad von 21,3 %, indem die vorderen Elektroden auf die Rückseite verlegt werden, wodurch die lichtabsorbierende Fläche vergrößert wird.
Dünnschichtsolarzellen
Kristalline Silizium-Solarzellen dominieren zwar aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades, doch die hohen Siliziumkosten machen eine signifikante Kostensenkung schwierig. Dünnschicht-Solarzellen, die weniger Material benötigen, haben sich als kostengünstige Alternative etabliert. Zu den wichtigsten Dünnschichtzellentypen zählen Silizium-Dünnschichtzellen, Cadmiumtellurid-Zellen (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Zellen (CIGS).
Siliziumbasierte Dünnschichtzellen sind nur 2 Mikrometer dick und benötigen etwa 1,5 % des Siliziummaterials, das für kristalline Siliziumzellen erforderlich ist. Je nach Anzahl der PN-Übergänge können diese Zellen als Einfach-, Doppel- oder Mehrfachzellen ausgeführt sein, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren können. Der höchste Wirkungsgrad für Einfachzellen liegt bei etwa 7 %, während Doppelzellen bis zu 10 % erreichen können.
CdTe-Dünnschichtzellen bieten aufgrund ihrer guten Lichtabsorptionseigenschaften einen höheren Wirkungsgrad (bis zu 12 %). Die krebserregende Wirkung von Cadmium und die begrenzten natürlichen Tellurvorkommen stellen jedoch langfristige Entwicklungsherausforderungen dar.
CIGS-Dünnschichtzellen gelten als die Zukunft der hocheffizienten Dünnschichttechnologie. Durch Optimierung des Herstellungsprozesses lässt sich ihre Lichtabsorption verbessern, was zu höheren Wirkungsgraden führt. Aktuell erreichen Laborwerte Wirkungsgrade von 20,1 %, während kommerzielle Produkte 13–14 % erzielen und damit die effizientesten unter den Dünnschichtzellen sind.
Zellen der dritten Generation
Theoretisch können Solarzellen der dritten Generation hohe Wirkungsgrade erreichen. Mit Ausnahme von HCPV befinden sich die meisten jedoch noch im Forschungsstadium. HCPV-Zellen verwenden typischerweise III-V-Halbleitermaterialien, die eine höhere Hitzebeständigkeit aufweisen und auch bei starker Lichteinstrahlung einen hohen Wirkungsgrad beibehalten. Mehrfachsolarzellen ermöglichen eine präzise Anpassung an das Sonnenspektrum mit theoretischen Wirkungsgraden von bis zu 68 %. In der kommerziellen Produktion lassen sich Wirkungsgrade von über 40 % erzielen.
Solarzellen werden in Modulen verkapselt, und ihre Anwendungen hängen von ihren Eigenschaften und der Marktnachfrage ab. Zu den ersten Anwendungen zählten Kommunikationsbasisstationen und Satelliten, später kamen auch private Wohnbereiche wie Solardächer zum Einsatz. In diesen Fällen begünstigten begrenzte Installationsflächen und der Bedarf an hoher Energiedichte kristalline Siliziummodule. Mit der Entwicklung von Solarkraftwerken im großen Maßstab und gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) haben Kostenüberlegungen zu einem verstärkten Einsatz von Dünnschichtzellen geführt. Auch Umwelt- und Klimabedingungen beeinflussen die Wahl der verschiedenen Technologien.
Anwendungen der solaren Photovoltaik-Technologie
Die Umwandlung von Sonnenstrahlung in nutzbaren Strom erfordert ein komplettes Photovoltaiksystem. Solarzellen bilden die Grundlage dieses Systems, zu dem auch Wechselrichter, Batterien, Überwachungssysteme und Verteilsysteme gehören.
Klassifizierung und Zusammensetzung von PV-Systemen
Photovoltaikanlagen werden entweder als netzunabhängige oder netzgekoppelte Systeme klassifiziert. Netzunabhängige Systeme können autark oder hybrid sein.
Autarke Systeme werden typischerweise in abgelegenen Gebieten, Kommunikationsbasisstationen und solarbetriebenen Straßenlaternen eingesetzt und nutzen ausschließlich Solarenergie. Sie bestehen aus Solarmodulen, Wechselrichtern, Ladereglern, Batterien, Verteilsystemen und Blitzschutz. Batterien und Laderegler haben einen erheblichen Einfluss auf die Systemkosten und die Lebensdauer. Hybridsysteme kombinieren Solarenergie mit anderen Energiequellen wie Dieselgeneratoren oder Windkraftanlagen.
Netzgekoppelte Systeme, die häufig für Solardächer und große Photovoltaik-Kraftwerke eingesetzt werden, benötigen keine Speichereinrichtungen, wodurch die Kosten gesenkt werden. Diese Systeme umfassen Solarmodule, Wechselrichter, Verteilnetze, Blitzschutz und Überwachungssysteme. Derzeit machen netzgekoppelte Systeme 80 % aller Solaranlagen aus.
Andere PV-Stromerzeugungstechnologien
Neben der Solarzellentechnologie sind Wechselrichtertechnologie, Netzintegration, Speicherung und intelligente Überwachung entscheidend für PV-Stromerzeugungssysteme:
Die Leistung von Solarzellen variiert mit der Intensität der Sonneneinstrahlung, was zu intermittierenden Leistungsschwankungen führt. Die großflächige Netzintegration kann Auswirkungen auf das Stromnetz haben, weshalb Netzsteuerung und Inselnetzschutz unerlässlich sind.
Die Ausgangsleistung von Solarmodulen ist Gleichstrom (DC), der mittels Wechselrichtern in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden muss.
Die Leistung des Moduls kann durch Faktoren wie Temperatur und Verschattung beeinflusst werden, weshalb Systemüberwachungs- und Alarmsysteme erforderlich sind.
Die Fernsteuerungstechnologie ist für Photovoltaik-Kraftwerke in abgelegenen Gebieten von entscheidender Bedeutung.
China ist hinsichtlich Qualität und Produktionsumfang führend in der Solarmodulherstellung. Hochprofitable Bereiche innerhalb der Wertschöpfungskette sind die Siliziumreinigung, Wechselrichter, Überwachungssysteme und die Herstellung von Photovoltaikanlagen. In diesen Schlüsselbereichen bahnbrechende Fortschritte zu erzielen, stellt die chinesische Photovoltaikindustrie vor große Herausforderungen.
Aktueller Stand und Zukunftsperspektiven der solaren Photovoltaik-Stromerzeugung
Aufgrund hoher Kosten erlebte die Solarstromerzeugung erst Ende des letzten Jahrhunderts einen großflächigen Aufschwung. Mit Beginn des 21. Jahrhunderts, dank verbesserter Effizienz und rapide sinkender Kosten, hat die Solarstromerzeugung ein rasantes Wachstum erfahren, wobei die installierte Leistung jährlich zunimmt. Weltweit stieg die jährlich installierte Leistung von 1,4 GW im Jahr 2000 auf 22,8 GW im Jahr 2009. Europäische Länder wie Deutschland, Italien und Spanien sind wichtige Märkte, und die EU plant, den Anteil der Solarenergie an der gesamten Stromversorgung bis 2020 auf 12 % zu erhöhen. Auch Entwicklungsländer wie China und Indien haben Solarentwicklungspläne aufgelegt. Neben Mobilfunkbasisstationen, Solardächern und Photovoltaik-Kraftwerken wird Solarstrom heute in einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt.
Als ergänzende und alternative Energiequelle entwickelt sich die Photovoltaik-Technologie rasant, und die Erzeugungskosten sinken. Dank stetiger technologischer Fortschritte ist Solarenergie als saubere und erneuerbare Ressource auf dem besten Weg, eine Schlüsselenergiequelle für nachhaltige Entwicklung zu werden.
