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Photovoltaik-Modul

Photovoltaik-Modul

Photovoltaikmodule oder Solarpanels sind Geräte, mit denen die Energie des Sonnenlichts aufgenommen wird. Photovoltaik-Solarmodule enthalten eine Reihe von Solarzellen, die Licht in Elektrizität umwandeln. Es wird Solar genannt, weil die Sonne eine der stärksten Energiequellen für diese Art der Nutzung ist. Solarzellen werden manchmal als photovoltaische Zellen bezeichnet, und Photovoltaik bedeutet wörtlich "Licht-Elektrizität". Solarzellen haben den photovoltaischen Effekt, die Sonnenenergie zu absorbieren und elektrischen Strom zwischen zwei geladenen Schichten in die entgegengesetzte Richtung fließen zu lassen.

Derzeit werden die Kosten für Solarmodule in Anwendungen, in denen die Stromversorgung der elektrischen Stationen verfügbar ist, billig. Die Kosten für fossile Brennstoffe steigen, und die Produktionserfahrung verringert die Kosten für Solarzellen, was vielleicht nicht in naher Zukunft zu sehen sein wird, aber auf lange Sicht ist der Trend zu einer zunehmenden Nutzung dieser erneuerbaren Energieform zu beobachten .

Ein photovoltaisches Modul ist eine Gruppe von miteinander verbundenen photovoltaischen Zellen, die von außen durch eine Struktur geschützt sind, die im Wesentlichen aus einem Glas und einem starren Rahmen besteht.

Photovoltaikzellen sind Elemente, die dank der Eigenschaften von Silizium die Sonnenstrahlung durch den photovoltaischen Effekt in elektrische Energie mit sehr niedriger Spannung umwandeln können.

Das Photovoltaikpanel hat die Funktion, all diese kleinen Spannungen zu gruppieren, die erzeugt werden, um dem System eine höhere Nennspannung zu liefern.

Die Photovoltaikmodule liefern eine Gleichspannung. Die übrigen Elemente der Photovoltaikanlage werden dafür verantwortlich sein, diese Spannung gegebenenfalls in Wechselstrom umzuwandeln.

Sonnenkollektoren sind Sonnenkollektoren, die durch die Gesetze der Thermodynamik die Sonnenwärme nutzen, um eine Flüssigkeit zu erhitzen.

Bautechnologien für Photovoltaikmodule

Von den vielen Materialien, die für den Bau von Photovoltaikmodulen verwendet werden können, wird Silizium am häufigsten verwendet. Das Silizium wird in Wafern erhalten, die dann zu einem Photovoltaikmodul zusammengefügt werden.

Die Bauformen der gebräuchlichsten photovoltaischen Zellen sind:

  • Monokristallines Silizium: Die Zellen haben einen Wirkungsgrad von 18-21%. Sie neigen dazu, teuer zu sein und sind auch vorhanden, sie sind mit zylindrischen Blöcken geschnitten, es ist schwierig, sie mit ausgedehnten Oberflächen zu bedecken, ohne Material oder Raum zu verschwenden.
  • Polykristallines Silizium: billigere Zellen, aber weniger effizient (15-17%), deren Vorteil in der Leichtigkeit liegt, mit der es möglich ist, sie in geeignete Formen zu schneiden, um Module zu verbinden.
  • Amorphes Silizium, abgeschieden durch Dampfphase: Photovoltaikzellen haben eine geringe Effizienz (8%), aber sie sind viel billiger in der Herstellung. Amorphes Silizium (Si-a) hat eine wichtige Bande aus kristallinem Silizium (Si-c): Dies bedeutet, dass es den sichtbaren Teil des Sonnenstrahlungsspektrums effizienter absorbiert, jedoch bei der Sammlung des Infrarotteils weniger effizient ist. Da nanokristallines Silizium (mit kristallinen nanometrischen Domänen) ungefähr den gleichen Si-c-Bandbereich aufweist, können die beiden Materialien kombiniert werden, um eine geschichtete photovoltaische Zelle zu erzeugen, in der die obere Si-a-Schicht sichtbares Licht absorbiert und den Infrarotbereich des Lichts verlässt Spektrum zur unteren nanokristallinen Siliziumzelle.
  • CIS: Die Zellen basieren auf Chalkogenidschichten (z. B. Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Sie haben einen Wirkungsgrad von bis zu 15%, aber ihre Kosten sind immer noch zu hoch.
  • Photoelektrochemische Zellen: Diese photovoltaischen Zellen, die erstmals 1991 gebaut wurden, waren ursprünglich so konzipiert, dass sie den Prozess der Photosynthese nachahmen. Diese Art von Zelle in einem Photovoltaik-Modul ermöglicht eine flexiblere Verwendung von Materialien und Produktionstechnik scheint sehr bequem zu sein. Die in diesen Zellen verwendeten Farbstoffe leiden jedoch unter Zersetzungsproblemen, wenn sie Wärme oder ultraviolettem Licht ausgesetzt werden. Trotz dieses Problems handelt es sich um eine aufstrebende Technologie, deren kommerzielle Auswirkungen in einem Jahrzehnt erwartet werden.
  • Hybrid-Photovoltaik-Zelle: kombiniert die Vorteile von organischen Halbleitern und verschiedenen Arten von anorganischen Halbleitern.
  • Konzentrierte photovoltaische Zelle: Die Verwendung dieser Zelle in einem photovoltaischen Modul kombiniert die oben genannten Technologien mit solaren Konzentrationslinsen, die die Effizienz signifikant erhöhen. Sie repräsentieren die vielversprechende neue Generation von Panels, die sich noch in der Entwicklung befinden.
  • Monokristallines Silizium, bei dem jede Zelle aus einem Wafer besteht, dessen Kristallstruktur homogen (einkristallin) ist, geeignet dotiert, um einen pn-Übergang zu bilden;
  • Photovoltaik-Modul mit polykristallinem Silizium, bei dem der oben erwähnte Wafer nicht strukturell homogen ist, sondern in lokal geordneten Körnern organisiert ist.

Kristalline photovoltaische Module

  • Monokristallines Silizium, bei dem jede Zelle aus einem Wafer besteht, dessen Kristallstruktur homogen (einkristallin) ist, geeignet dotiert, um einen pn-Übergang zu bilden;
  • Photovoltaik-Modul mit polykristallinem Silizium, bei dem der oben erwähnte Wafer nicht strukturell homogen ist, sondern in lokal geordneten Körnern organisiert ist.

Dünnschichtmodule

Dünnschicht- Photovoltaik-Module werden hergestellt, indem das Halbleitermaterial auf einem glasähnlichen Substrat abgeschieden wird, so dass die steifen Solarzellen im Freien verwendet werden; oder Kunststoff, im Falle von flexiblen Platten für weniger konventionelle Anwendungen.

Das Dünnschichtmodul wird monolithisch hergestellt und erfordert nicht den Zusammenbau mehrerer Zellen, da im Falle von kristallinen Siliziumplatten zusätzlich die Menge an Halbleitermaterial, das in der Platte vorhanden ist, beträchtlich kleiner ist als bei den mit Photovoltaikzellen hergestellten Platten , was die Produktionskosten senkt, andererseits scheint das abgelagerte Material einen hohen Defekt zu haben und daher werden die Dünnschichtplatten eine geringere Effizienz im Vergleich zu ihren monokristallinen Äquivalenten aufweisen.

Die Dünnfilmmodule sind in verschiedene Kategorien unterteilt, entsprechend den darin abgelagerten Halbleitermaterialien. Unter den gebräuchlichsten finden wir:

  • Amorphes Silicium, bei dem die Siliciumatome chemisch in amorpher Form oder strukturell ungeordnet auf der Trägeroberfläche abgeschieden sind. Diese Technologie verwendet sehr kleine Mengen an Silizium (Dicken in der Größenordnung von Mikrometern). Die Module aus amorphem Silizium zeigen im Allgemeinen eine weniger konstante Effizienz der anderen Technologien im Vergleich zu den nominalen Werten, obwohl sie Garantien haben, die mit dem Markt übereinstimmen. Die interessantesten Daten beziehen sich auf EROEI, die sehr hohe Werte liefert (in einigen Fällen sogar 9), was die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie belegt.
  • Cadmium Tellurid (CdTe): das sind dünnere Sonnenkollektoren mit einem niedrigeren Preis und niedrigerer thermodynamischer Effizienz.
  • Mikrokristallines Cadmiumsulfid (CdS), das sehr niedrige Produktionskosten hat, weil die für seine Herstellung verwendete Technologie nicht das Erreichen der sehr hohen erforderlichen Temperaturen anstelle der Fusion und Reinigung von Silicium erfordert. Es wird auf einen Metallträger für die Sprühbeschichtung aufgetragen, dh es wird buchstäblich als Farbe aufgesprüht. Zu den Nachteilen, die mit der Herstellung dieser Art von photovoltaischen Zellen verbunden sind, gehören die Toxizität von Cadmium und die geringe Effizienz der Vorrichtung.
  • Galliumarsenid (GaAs), es ist eine binäre Legierung mit Halbleitereigenschaften, die in der Lage sind, sehr hohe Ausbeuten zu garantieren, aufgrund der Eigenschaft, eine direkte Lücke zu haben (im Gegensatz zu Silizium). Es wird hauptsächlich für fortgeschrittene militärische oder wissenschaftliche Anwendungen (wie zum Beispiel automatisierte planetarische Erkundungsmissionen oder besonders empfindliche Photodetektoren) verwendet. Die prohibitiven Kosten des monokristallinen Materials, aus dem die Zellen hergestellt werden, wurden jedoch für eine spezielle Verwendung verwendet.
  • Indisches Kupferdiselenid (CIS) mit einer Opazität von 100% bis 70%, erhalten durch Löcher, die direkt in dem Film erzeugt wurden.
  • Indisches Kupfer-Gallium-Diselenid (CIGS)
  • Heterojunction, wörtlich Vereinigung zwischen verschiedenen Substanzen, in der eine Schicht aus kristallinem Silizium als Trägerfläche von einer oder mehreren amorphen oder kristallinen Schichten verwendet wird, von denen jede für ein bestimmtes Strahlungsteilband optimiert ist;
  • Mikrosphärisches Silizium, bei dem reduziertes polykristallines Silizium in Kugeln mit einem Durchmesser von ungefähr 0,75 mm verwendet wird, die in einem Aluminiumsubstrat eingeschlossen sind

Proprietäre Varianten

Von den erwähnten Technologien erlauben nur das amorphe und das mikrosphärische das Biegen des Moduls: im Falle des amorphen Materials gibt es keine kristalline Struktur des Materials, um zu verhindern, dass es sich verbiegt, im Falle des mikrosphärischen Materials ist es nicht die Zelle ( Kugel), die sich biegt, aber das Wabengitter, in dem sie platziert ist.

Bau von Photovoltaikmodulen

Kristallines Silizium und Galliumarsenid sind die typischen Materialien für Solarzellen. Galliumarsenidkristalle werden speziell für photovoltaische Anwendungen hergestellt, aber Siliziumkristalle werden auch für den Verbrauch in der Mikroelektronikindustrie hergestellt.

Polykristallines Silizium hat einen geringeren Prozentsatz an Umwandlung, jedoch zu reduzierten Kosten.

Photovoltaik-Module

Bei direktem Licht von 1 AU kann eine Siliziumzelle mit einem Durchmesser von 6 Zentimetern einen Strom von 0,5 Ampere bei 0,5 Volt erzeugen. Galliumarsenid ist effizienter.

Die Sonnenkollektoren können Strom für isolierte Orte mit guter Beleuchtung erzeugen.

Das Glas wird in kleine Scheiben geschnitten, poliert, um die Gefahr des Schneidens zu eliminieren, Dotierstoffe werden in die Scheiben eingeführt und die metallischen Regler werden auf jeder Oberfläche abgelagert: ein kleiner Verbinder auf der Sonnenseite und ein Verbinder auf der anderen Seite. Die Solarmodule werden so konstruiert, dass diese Zellen in geeignete Formen geschnitten, vor Strahlung geschützt und durch Aufbringen einer Glasschicht beschädigt und auf ein Substrat (entweder eine starre oder eine flexible Platte) zementiert werden.

Die elektrischen Anschlüsse werden in Reihe-parallel ausgeführt, um die Gesamtausgangsspannung zu bestimmen. Die Schutzschicht muss ein Wärmeleiter sein, weil die Zelle eintritt, wenn sie die Infrarotenergie der Sonne absorbiert, die nicht in elektrische Energie umgewandelt wird. Da die Erwärmung der Zelle die Betriebseffizienz verringert, ist es wünschenswert, diese Wärme zu reduzieren. Das Ergebnis dieser Konstruktion wird Photovoltaik-Modul oder Solarpanel genannt.

Ein Solarpanel besteht aus einer Reihe von Solarzellen. Obwohl jede Solarzelle eine relativ kleine Menge an Energie bereitstellt, kann ein Satz von Solarzellen, die über eine große Fläche verteilt sind, genug Energie erzeugen, um nützlich zu sein. Um möglichst viel Energie zu erhalten, müssen Sonnenkollektoren direkt in die Sonne gerichtet werden.

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Geändert am: 30. Oktober 2018

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