Panels Photovoltaische Solarenergie

Dünnschichtsolarzelle

Dünnschichtsolarzelle

Eine Dünnschichtsolarzelle ist eine zweite Generation von Solarzellen, die durch Abscheiden einer oder mehrerer dünner Schichten oder eines Dünnfilms (TF) aus photovoltaischem Material auf einem Substrat wie Glas, Kunststoff oder Metall hergestellt wird.

Die Dicke des Films variiert zwischen einigen Nanometern (nm) und einigen zehn Mikrometern (um). Der Film ist viel dünner als die Konkurrenztechnologie des Dünnfilms, der herkömmlichen kristallinen Siliziumsolarzelle (c-Si) der ersten Generation, die Wafer mit einer Dicke von bis zu 200 μm verwendet. Dies ermöglicht, dass Dünnfilmzellen flexibel und von geringerem Gewicht sind. Es wird beim Bau von integrierten Photovoltaikanlagen und als halbtransparentes Photovoltaik-Verglasungsmaterial verwendet, das in Fenster laminiert werden kann. Andere kommerzielle Anwendungen verwenden starre Dünnschichtsolarmodule (zwischen zwei Glasmodulen) in einigen der weltweit größten Photovoltaikanlagen.

Die Dünnschichttechnologie war immer billiger, aber weniger effizient als die herkömmliche c-Si-Technologie. Es hat sich jedoch im Laufe der Jahre erheblich verbessert. Der Wirkungsgrad der Laborzelle für CdTe und CIGS übersteigt jetzt 21 Prozent und übertrifft multikristallines Silizium, das derzeit in den meisten Photovoltaik-Solaranlagen vorherrschende Material. Beschleunigte Lebensdauertests von Dünnschichtmodulen unter Laborbedingungen ergaben einen etwas schnelleren Abbau im Vergleich zu herkömmlicher PV, während im Allgemeinen eine Nutzungsdauer von 20 Jahren oder mehr erwartet wird. Trotz dieser Verbesserungen

Andere Dünnschichttechnologien, die sich noch in einem Anfangsstadium der laufenden Forschung befinden oder im Handel nur begrenzt verfügbar sind, werden häufig als neue oder Photovoltaikzellen der dritten Generation eingestuft und umfassen organisches und farbstoffsensibilisiertes Kupfersulfid sowie Quantenpunkte Zinn, Zink, Nanokristalle, Mikromorphe und Perowskit-Solarzellen.

Arten von Dünnschicht-Photovoltaikzellen

Viele der Photovoltaik-Materialien werden mit unterschiedlichen Abscheideverfahren auf verschiedenen Substraten hergestellt. Dünnschichtsolarzellen werden im Allgemeinen nach dem verwendeten Photovoltaikmaterial klassifiziert. Nach diesen Kriterien sind die folgenden Arten von Dünnschicht- Photovoltaikzellen.

  • Amorphes Silizium (a-Se) und andere Dünnschichtsilikone (TF-Se)
  • Cadmium Tellurium (CdTe)
  • Indisches Gallium- und Semeniumkupfer (GUS oder CIGS)
  • Farbempfindliche Solarzellen (DSC) und andere organische Solarzellen.

Cadmium Tellurium

Die Verwendung von Cadmiumtellurid bei der Herstellung von Dünnschichten ist die fortschrittlichste Dünnschichttechnologie. Ungefähr die Hälfte der Weltproduktion von Photovoltaikmodulen und mehr als die Hälfte des Dünnschichtmarktes sind in den Händen dieser Technologie. Die Effizienz des Mobiltelefons in vitro hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen und entspricht dem Dünnfilm-CIGS und liegt nahe an der Effizienz von multikristallinem Silizium. Cadmiumtellurid weist auch die niedrigste Energierückgewinnungszeit aller Massenproduktionstechnologien auf und kann in wünschenswerten Situationen nur acht Monate betragen.

Während Umweltbedenken hinsichtlich der Cadmiumtoxizität durch das Recycling von Cadmium am Ende seines Zeitraums vollständig beseitigt werden können, bestehen nach wie vor Zweifel an der Technologie, und die öffentliche Meinung ist skeptisch. Die Verwendung knapper Materialien kann auch ein Problem für die Wirtschaftlichkeit der Cadmium-Dünnschichttechnologie sein.

Indisches Gallium und Semeniumkupfer

Die möglichen Verbindungen der Elemente der Gruppe XI, XIII, XVI im Periodensystem der Photovoltaik sind: Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Gallium, Indium, Silizium, Selen, Tellur. Eine Photovoltaikzelle aus Selen, Gallium oder CIGS verwendet ein Adsorptionsmittel aus Selen, Gallium, Indium und Kupfer, die anderen Arten von freiem Gallium werden als CIS abgekürzt.

Diese Technologie ist einer der drei Hauptströme der Dünnschichttechnologie, die anderen beiden sind amorphes Siliciumcadmiumtellurid mit einem Laborwirkungsgrad von 5% und einem Marktanteil von 5%.

Amorphes Silizium

Amorphes Silizium ist eine vielfache Form von nichtkristallinem Silizium und war bis heute die fortschrittlichste Dünnschichttechnologie. Während CIS- und CdTe- Photovoltaikzellen in vitro erfolgreich gearbeitet haben, konzentriert sich die Industrie immer noch auf Dünnschichtzellen auf Siliziumbasis.

Produkte auf Siliziumbasis sind weniger problematisch als CIS- und CdTe-Produkte. Beispielsweise treten die Toxizitäts- und Feuchtigkeitsprobleme von CdTe-Zellen und die geringe Produktion von CIS-Produkten aufgrund der Komplexität der mit den Produkten verbundenen Materialien nicht auf aus Silizium. Darüber hinaus gibt es keine Einwände gegen die Verwendung von Standardsilizium aufgrund des politischen Widerstands gegen die Verwendung nicht grüner Materialien bei der Erzeugung von Sonnenenergie. Die Siliziummodule sind in drei Kategorien unterteilt:

  • Photovoltaikzellen aus amorphem Silizium
  • Multikristalline Tandem-Photovoltaikzellen
  • Dünner Film aus multikristallinem Silizium auf Glas

Wirkungsgrade der Dünnschicht-Photovoltaikzelle

Mit der Erfindung der ersten modernen Siliziumsolarzelle im Jahr 1954 begannen inkrementelle Effizienzverbesserungen. Im Jahr 2010 hatten diese ständigen Verbesserungen dazu geführt, dass Module 12 bis 18 Prozent der Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandelten. Die Effizienzverbesserungen haben sich in den Jahren seit 2010 weiter beschleunigt, wie aus der beigefügten Tabelle hervorgeht.

Zellen aus neueren Materialien sind in der Regel weniger effizient als Massensilizium, ihre Herstellung ist jedoch kostengünstiger. Seine Quanteneffizienz ist auch geringer, da weniger Ladungsträger pro einfallendem Photon gesammelt werden.

Die Leistung und das Potenzial von Dünnfilmmaterialien sind hoch und erreichen Zellwirkungsgrade von 12-20%. Prototypen von Modulwirkungsgraden von 7 bis 13%; und Produktionsmodule im Bereich von 9%. Der Dünnschichtzellen-Prototyp mit dem besten Wirkungsgrad produziert 20,4% (First Solar), vergleichbar mit dem besten herkömmlichen Solarzellen-Prototyp-Wirkungsgrad von 25,6% von Panasonic.

Mit einem neuen Rekordwirkungsgrad von 22,3% bei Dünnschichtsolarzellen, dem weltweit größten cis-Solarenergieanbieter, hat Solar Frontier einen neuen Rekordwert erzielt. In einer gemeinsamen Untersuchung mit der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) in Japan erzielte Solar Frontier mithilfe seiner CIS-Technologie einen Umwandlungswirkungsgrad von 22,3% in einer 0,5 cm 2 -Zelle. Dies ist eine Steigerung von 0,6 Prozentpunkten gegenüber dem bisherigen Rekord des Dünnfilms der Branche von 21,7%.

Aufkommende Photovoltaik

Eine experimentelle Solarzelle auf Siliziumbasis, die von Sandia National Laboratories entwickelt wurde

Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) klassifiziert eine Reihe von Dünnschichttechnologien als aufstrebende Photovoltaik. Die meisten von ihnen wurden noch nicht kommerziell eingesetzt und befinden sich noch in der Forschungs- oder Entwicklungsphase. Viele verwenden organische Materialien, häufig metallorganische Verbindungen, sowie anorganische Substanzen. Obwohl ihre Effizienz gering war und die Stabilität des absorbierenden Materials für kommerzielle Anwendungen oft zu gering war, wird viel Forschung in diese Technologien investiert, da sie das Ziel der Herstellung niedriger Kosten und hoher Effizienz versprechen. Solarzellen

Die aufkommende Photovoltaik-Energie, die oft als Photovoltaik-Zellen der dritten Generation bezeichnet wird, umfasst:

  • Kupferzinn-Zinksulfid-Solarzelle (CZTS) und CZTSe- und CZTSSe-Derivate
  • Farbstoffsensibilisierte Solarzelle, auch "Grätzel-Zelle" genannt
  • Organische Solarzelle
  • Perowskit-Solarzelle
  • Quantum Dot Solarzelle

Insbesondere die Erfolge bei der Erforschung von Perowskit-Zellen fanden in der Öffentlichkeit große Beachtung, da ihre Forschungseffizienz in letzter Zeit über 20 Prozent stieg. Sie bieten auch ein breites Spektrum an kostengünstigen Anwendungen. Eine weitere aufstrebende Technologie, der Photovoltaik-Konzentrator (CPV), verwendet hocheffiziente Mehrfachsolarzellen in Kombination mit optischen Linsen und einem Nachführsystem.

Absorption der Sonnenstrahlung durch die Dünnschichtsolarzelle

Es wurden mehrere Techniken verwendet, um die in die Zelle eintretende Lichtmenge zu erhöhen und die Menge zu verringern, die ohne Absorption entweicht. Die naheliegendste Technik besteht darin, die obere Kontaktabdeckung der Zelloberfläche zu minimieren und den Bereich zu verkleinern, der verhindert, dass Licht die Zelle erreicht.

Das schwach absorbierte langwellige Licht kann schräg an das Silizium gekoppelt werden und durchläuft den Film mehrmals, um die Absorption zu verbessern.

Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Absorption zu erhöhen, indem die Menge der einfallenden Photonen verringert wird, die von der Zelloberfläche reflektiert werden. Eine zusätzliche Antireflexionsbeschichtung kann durch Modulation des Brechungsindex der Oberflächenbeschichtung zerstörerische Interferenzen innerhalb der Zelle verursachen. Durch destruktive Interferenz wird die reflektierende Welle beseitigt, und das gesamte einfallende Licht gelangt in die Zelle.

Die Oberflächentexturierung ist eine weitere Option zur Erhöhung der Absorption, erhöht jedoch die Kosten. Durch Aufbringen einer Textur auf die Oberfläche des aktiven Materials kann das reflektierte Licht gebrochen werden, um erneut auf die Oberfläche aufzutreffen, wodurch der Reflexionsgrad verringert wird. Beispielsweise ist die Textur von schwarzem Silizium durch reaktives Ionenätzen (RIE) ein effektiver und wirtschaftlicher Ansatz, um die Absorption von Dünnschichtsolarzellen zu erhöhen. Ein strukturierter Rückreflektor kann verhindern, dass Licht von der Rückseite der Zelle austritt.

Zusätzlich zur Oberflächentextur erregte das plasmonische Lichteinfangschema viel Aufmerksamkeit, um den Photostrom in Dünnschichtsolarzellen zu verbessern. Diese Methode nutzt die kollektive Schwingung angeregter freier Elektronen in Nanopartikeln aus Edelmetallen, die von der Form der Partikel, der Größe und den dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Mediums beeinflusst werden.

Zusätzlich zur Minimierung des Reflexionsverlusts kann das Solarzellenmaterial selbst optimiert werden, um eine größere Chance zu haben, ein Photon zu absorbieren, das es erreicht. Thermische Bearbeitungstechniken können die Kristallqualität von Siliziumzellen erheblich verbessern und damit die Effizienz steigern. Die Dünnfilmzellschicht zum Erzeugen einer Mehrfachübergangssolarzelle kann ebenfalls hergestellt werden. Das Bandintervall jeder Schicht kann so ausgelegt werden, dass es einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich besser absorbiert, so dass sie zusammen ein größeres Lichtspektrum absorbieren können.

Weitere Fortschritte bei geometrischen Überlegungen können die Dimensionalität des Nanomaterials ausnutzen. Große parallele Nanodrahtmatrizen ermöglichen lange Absorptionslängen entlang der Länge des Kabels, während kurze Diffusionslängen kleinerer Ladungsträger entlang der radialen Richtung beibehalten werden. Das Hinzufügen von Nanopartikeln zwischen den Nanodrähten ermöglicht die Leitung. Die natürliche Geometrie dieser Matrizen bildet eine strukturierte Oberfläche, die mehr Licht einfängt.

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Geändert am: 26. September 2019