A Solarzelle ist ein Gerät, das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Diese Umwandlung wird durch die Nutzung des photovoltaischen Effekts in einem Halbleitermaterial, meist Silizium, erreicht. Solarzellen sind eine Schlüsselkomponente erneuerbarer Energietechnologien und werden häufig in Solarstromsystemen eingesetzt.
Der folgende Artikel gibt Ihnen einen Überblick über die Geschichte von Solarzelle Entwicklung und wird die wichtigsten bisherigen Effizienzrekorde hervorheben.
Inhaltsverzeichnis
Die Entwicklung von Solarzellen
Klassifikation
Wirkungsgrad von Solarzellen
Weltrekorde für Solarzellen im Laufe der Jahre
Der Unterschied zwischen Labor- und kommerzieller Effizienz
Wichtige Trends in der Solarzellentechnologie
Wrapping up
Die Entwicklung von Solarzellen
Die Geschichte der Solarzellen geht auf das Ende des 1800. Jahrhunderts zurück, als Wissenschaftler entdeckten, dass bestimmte PV-Materialien bei Lichteinwirkung elektrischen Strom erzeugen können. Doch erst 1954 gelang es Bell Labs, die erste praktische Silizium-Solarzelle zu entwickeln. In den 1960er Jahren begann man, Solarzellen zur Energieversorgung in Raumfahrzeugen einzusetzen, was die Weiterentwicklung der Technologie vorantreibte.
Die Kommerzialisierung und Popularisierung begann in den 1970er Jahren, als mit dem Aufkommen der Energiekrise Solarzellen als erneuerbare Energiequelle mehr Beachtung fanden. Fortschritte in der Technologie und niedrigere Produktionskosten ermöglichten den breiten Einsatz von Solarzellen in gewerblichen und privaten Anwendungen.
Klassifikation
Einkristallines Silizium Solarzellen: Sie bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und sind effizienter, aber relativ teuer. Sie zeichnen sich typischerweise durch eine hohe Energieumwandlungseffizienz und eine lange Lebensdauer aus.
Polykristallines Silizium Solarzellen: Sie bestehen aus mehreren kleinen Siliziumkristallen und sind etwas weniger effizient als monokristallines Silizium, kosten aber weniger.
Dünner Film Solarzellen: Amorphes Silizium oder andere Materialien (z. B. CdTe, CIGS) werden in sehr dünnen Schichten auf ein Substrat aufgetragen. Diese Zellen sind billiger, aber typischerweise weniger effizient als kristalline Siliziumzellen.
Neu Solarzellen: Dazu gehören organische Solarzellen, Chalkogenid-Solarzellen usw., die möglicherweise geringere Herstellungskosten und neue Anwendungsmöglichkeiten bieten. Insbesondere Chalkogenidzellen könnten zu neuen Durchbrüchen führen.
Wirkungsgrad von Solarzellen
Solarzelle Der Wirkungsgrad ist ein Schlüsselmaß dafür, wie effizient eine Solarzelle Sonnenlicht in Strom umwandelt. Konkret handelt es sich um das Verhältnis der von einer Solarzelle erzeugten elektrischen Leistung zur Leistung, die sie aus der Sonnenstrahlung erhält. Mit anderen Worten: Sie beschreibt, wie viel der von der Solarzelle aufgenommenen Sonnenenergie effizient in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Bedeutung der Effizienz von Solarzellen
Leistung: Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann eine Solarzelle gleicher Größe bei gleichen Lichtverhältnissen erzeugen.
Kosteneffektivität: Durch die höhere Effizienz sinken die Stückkosten von Solarstrom, wodurch Solarenergie wirtschaftlich wettbewerbsfähiger wird.
Raumnutzung: Hocheffiziente Solarzellen können auf begrenztem Raum mehr Strom erzeugen, was besonders für platzbeschränkte Anwendungen wie Solaranlagen auf Dächern oder kleine Anlagen wichtig ist.
Effizienzverbesserungsprozess
Die Entwicklung von Solarzellen kann in drei Phasen unterteilt werden, von denen jede ihre eigenen spezifischen technologischen Durchbrüche aufweist:
Phase I: Solarzellen aus kristallinem Silizium
Die erste Stufe von Solarzellen basiert hauptsächlich auf monokristallinen und polykristallinen Siliziummaterialien. Die ersten kommerziell erhältlichen Silizium-Solarzellen hatten Wirkungsgrade von etwa 6 %, doch mit technologischen Verbesserungen konnten moderne monokristalline Silizium-Zellen unter Laborbedingungen Wirkungsgrade von mehr als 22 % erreichen.
Erfolgsprozess: Die Effizienzsteigerung ist hauptsächlich auf technologische Fortschritte bei der Reinheit des Siliziums, die Optimierung der Gitterstruktur, die Reduzierung des Reflexionsvermögens, die Verbesserung des Elektrodendesigns und die Reduzierung des Energieverlusts innerhalb der Zelle zurückzuführen.
Phase II: Dünnschichtsolarzellen
Diese Solarzellen Dazu gehören Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmium-Tellur (CdTe) und amorphe Silizium-Solarzellen. Der Ausgangswirkungsgrad dieser Dünnschichtzellen ist niedrig und liegt im Allgemeinen bei etwa 10 %, aber mit der Entwicklung von Materialien und Prozesstechnologie hat der Laborwirkungsgrad von CIGS- und CdTe-Zellen 23 % überschritten.
Dies wird hauptsächlich durch die Verbesserung der Lichtabsorptionsfähigkeit von Dünnschichtmaterialien, die Verbesserung der Ladungsträgertransporteffizienz und die Optimierung der Zellstruktur erreicht.
Phase III: Calciumtitanit-Solarzellen
Calciumtitanit Solarzellen sind die in den letzten Jahren am schnellsten wachsende Klasse von Solarzellen. Seit dem ersten Bericht im Jahr 2009 ist die Effizienz rasch von anfänglich 3.8 % auf heute über 33.9 % gestiegen.
Die schnelle Effizienzsteigerung wird auf die einzigartigen Vorteile von Chalkogenidmaterialien zurückgeführt, wie z. B. hohe Lichtabsorptionskoeffizienten, einstellbare Bandlücken und einfache Herstellungsprozesse.
Weltrekorde für Solarzellen im Laufe der Jahre
Beginn der Entwicklung (2009–2012)
2009, Energieumwandlungswirkungsgrad 3.5 %: Der japanische Wissenschaftler Miyasaka verwendete Chalkogenidmaterial für farbstoffsensibilisierte Solarzellen als lichtabsorbierendes Material, aber das Material war instabil und versagte nach wenigen Minuten.
2011, Energieumwandlungswirkungsgrad 6.5 %: Nam-Gyu Park, Sungkyunkwan-Universität, Südkorea, verbesserte die Technologie von Chalkogenid-Solarzellen und steigerte damit den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung drastisch. Allerdings ist das Material immer noch instabil, da weiterhin flüssiger Elektrolyt verwendet wird, und der Wirkungsgrad wurde danach um 80 % gesenkt ein paar Minuten.
2012, Energieumwandlungswirkungsgrad 10 %: Die Gruppe von Henry Snaith von der Universität Oxford führte das Transportmaterial Spiro-OMeTA ein, erkannte den festen Zustand der Chalkogenidzelle, verbesserte die Umwandlungseffizienz weiter und die Photovoltaikleistung ließ nach 500 Stunden nicht offensichtlich nach, was eine hervorragende Stabilitätsleistung demonstrierte.
Erste Entwicklungsphase (2012–2015)
In 2012Henry Snaith von der Universität Oxford ersetzte TiO2 in der Zelle durch Aluminium (A1203), und seitdem fungiert Calcit nicht nur als absorbierende Lichtschicht in der Zelle, sondern dient auch als Halbleitermaterial zur Übertragung elektrischer Ladung.
In 2013Chalkogenid wurde in Science 10 zu einem der zehn wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche gewählt.
Im Jahr 2015 Energieumwandlungseffizienz von 15 %: China, Japan und die Schweiz haben zusammengearbeitet, um großflächige (Arbeitsfläche von mehr als 1 CM2) Chalkogenid-Solarzellen herzustellen, die von internationalen Behörden zertifiziert wurden.
Schnelle Entwicklungsphase (seit 2016)
2016, Energieumwandlungswirkungsgrad 19.6 %: Die Gruppe von Prof. Gratzel an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne steigerte den zertifizierten Wirkungsgrad auf 19.6 %.
2018, Energieumwandlungswirkungsgrad 23.7 %: Das Institut für Halbleiterforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften schlug die Passivierung von Chalkogenid-Oberflächendefekten mit organischem Salz vor und erhöhte die Umwandlungseffizienz sukzessive auf 23.3 % und 23.7 %.
2021, Energieumwandlungswirkungsgrad 29.8 %: Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat einen Chalkogenid-Tandem-Batterieumwandlungswirkungsgrad von 29.8 % entwickelt und übertrifft damit die Effizienzgrenze von Heterogeneous Junction (HJT), TOPCon und anderen kristallinen Siliziumtechnologien.
2022, Energieumwandlungswirkungsgrad von 31.3 %: Die Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und das Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) haben gestapelte Chalkogenid-Silizium-Photovoltaikzellen mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 31.3 % entwickelt.
2023, Energieumwandlungswirkungsgrad 33.9 %: Der Wirkungsgrad der von der chinesischen LONGi Green Energy Technology Co. unabhängig entwickelten kristallinen Silizium-Kalzit-Stapelzelle erreicht 33.9 % und übertrifft damit die theoretische Effizienzgrenze von Shockley-Quayther (SQ) von 33.7 % für Einzelzellen.
Der Unterschied zwischen Labor- und kommerzieller Effizienz
Laboreffizienz und Kommerzialisierungseffizienz sind zwei unterschiedliche Messgrößen zur Bewertung der Leistung von Solarzellen, und es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen ihnen:
Laboreffizienz
Definition:
Die Laboreffizienz ist die maximale Effizienz eines Solarzelle gemessen unter idealisierten Laborbedingungen. Dabei handelt es sich in der Regel um Standardtestbedingungen (STC) wie eine bestimmte Lichtintensität (1000 W/m²), eine festgelegte Spektralverteilung und eine feste Temperatur (in der Regel 25 °C).
Charakteristik:
Laboreffizienzen werden in der Regel unter optimierten Testbedingungen gemessen, die auf maximale Zellleistung ausgelegt sind.
Solche Wirkungsgrade werden normalerweise für einzelne Zellen oder kleine Zellproben und nicht für ein gesamtes Solarpanel oder -system gemessen.
Laborwirkungsgrade spiegeln die Obergrenze des technischen Potenzials einer Solarzelle wider.
Effizienz der Kommerzialisierung
Definition:
Die Kommerzialisierungseffizienz ist die durchschnittliche Effizienz von Solarzellen oder Solarpaneele, die tatsächlich hergestellt und auf den Markt gebracht werden. Dabei handelt es sich um das Leistungsniveau, das Verbraucher beim Kauf und bei der Nutzung eines Solarzellensystems erwarten können.
Charakteristik:
Die Effizienz der Kommerzialisierung ist in der Regel geringer als die Effizienz im Labor, da sie eine Vielzahl praktischer Faktoren im Massenproduktionsprozess berücksichtigen muss, wie etwa Materialschwankungen, Herstellungstoleranzen und langfristige Zuverlässigkeit.
Dieser Wirkungsgrad wird unter Bedingungen gemessen, die näher an den tatsächlichen Betriebsbedingungen liegen, einschließlich unterschiedlicher Temperaturen, Lichtverhältnisse und möglicher Verschattung.
Kommerziell genutzte Wirkungsgrade spiegeln eher die tatsächliche Leistung von Solarzellen im täglichen Gebrauch wider.
Differenzen
Effizienz: Die Laboreffizienz ist in der Regel höher als die kommerzielle Effizienz, da sie unter idealisierten Bedingungen erreicht wird.
Anwendung: Die Effizienz von Laboren wird in der Forschung und Entwicklung stärker genutzt, um Durchbrüche bei neuen Technologien zu fördern. Während sich die kommerzialisierte Effizienz auf die tatsächliche Produktleistung und die Wettbewerbsfähigkeit des Marktes konzentriert.
Kosten: Wenn eine kommerzialisierte Effizienz erreicht wird, müssen auch die Produktionskosten und die Durchführbarkeit einer Produktion in großem Maßstab berücksichtigt werden, was bei der Bestimmung der Laboreffizienz normalerweise keine große Rolle spielt.
Wichtige Trends in der Solarzellentechnologie
Zukünftige Durchbrüche in Solarzelle Der Schwerpunkt dieser Technologie liegt auf der Verbesserung der Effizienz, der Kostensenkung, der Verbesserung der Haltbarkeit und der Anpassung an die Anforderungen verschiedener Anwendungen. Nachfolgend ein detaillierter Ausblick auf diese Trends:
Erhöhte Energieumwandlungseffizienz
Mehrfachsolarzellen: Durch das Stapeln von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken können Mehrfachsolarzellen ein breiteres Spektrum an Sonnenlicht absorbieren und so die Gesamteffizienz verbessern. In Zukunft könnten weitere Dreifach- und sogar Vierfachsolarzellen auf den Markt kommen.
Kombination aus Chalkogenid und Silizium: Die Kombination von Chalkogenid-Solarzellen mit herkömmlichen Siliziumzellen zu Hybrid- oder Stapelsolarzellen bietet möglicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine bessere spektrale Reaktion.
Kosten senken und Nachhaltigkeit verbessern
Scale-up-Produktion: Es wird erwartet, dass die Kosten für die Herstellung von Solarzellen weiter sinken, wenn die Technologie ausgereift ist und eine Massenproduktion realisiert wird.
Nachwachsende Rohstoffe: Forschung und Entwicklung umweltfreundlicherer, recycelbarer Materialien und eine geringere Abhängigkeit von seltenen und giftigen Materialien werden dazu beitragen, die Umweltverträglichkeit von Solarzellen zu verbessern.
Erhöhte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
Verbessern Sie die Langzeitstabilität: Ziel der Forscher ist es, die Langzeitstabilität und Witterungsbeständigkeit von Solarzellen zu verbessern, um verschiedenen Umweltbedingungen standzuhalten und ihre Lebensdauer zu verlängern.
Selbstheilende Materialien: Entwickeln Sie Solarzellenmaterialien, die kleinere Schäden selbst reparieren können, um langfristig eine hohe Effizienz aufrechtzuerhalten.
Wrapping up
Die Effizienzsteigerung von Solarzellen ist in ein rasantes Stadium eingetreten, insbesondere mit der praktischen Nutzung von Chalkogenidzellen, die diesem Bereich neue Vitalität verleihen wird. Die kontinuierliche Verbesserung der Effizienz von Solarzellen ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung der Solartechnologie und deren Markteinführung.
Durch Innovationen in der Materialwissenschaft, fortschrittliches Zelldesign und Fortschritte in der Fertigungstechnologie werden Solarzellen effizienter, kostengünstiger und zuverlässiger. Mit weiteren Effizienzsteigerungen und dem Einsatz neuer Technologien können wir davon ausgehen, dass sie zuverlässigere und kostengünstigere Energielösungen für Haushalte und Unternehmen bieten werden.
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