Was sind amorphe Solarzellen in Solarmodulen?
Amorphes Silizium (a-Si) ist eine Variante des Siliziums, die keine regelmäßige Kristallstruktur aufweist. Es wird in Dünnschichtsolarzellen verwendet und hat den Vorteil, dass es kostengünstig hergestellt werden kann, aber einen geringeren Wirkungsgrad als kristallines Silizium hat.
Amorphes Silizium (a-Si) ist eine Variante des Siliziums, die in der Solartechnik als Material für Dünnschichtsolarzellen verwendet wird. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium, das eine geordnete Kristallstruktur aufweist, hat amorphes Silizium keine regelmäßige Anordnung der Atome. Dadurch hat es andere elektrische Eigenschaften und eine andere optische Absorption.
Die Herstellung amorpher Siliziumschichten erfolgt in einem chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren, bei dem ein Siliziumdioxid-Gas unter Zugabe von Wasserstoff auf ein Substrat aufgebracht wird. Das amorphe Silizium ist etwa 100-mal dünner als ein menschliches Haar und wird als aktive Schicht in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt.
Amorphes Silizium hat den Vorteil, dass es kostengünstig hergestellt werden kann und sich besonders für den Einsatz in großflächigen Solarmodulen eignet. Allerdings hat es einen geringeren Wirkungsgrad als kristallines Silizium, da es aufgrund seiner unregelmäßigen Struktur eine höhere Rekombinationsrate von Elektronen und Löchern aufweist. Dennoch wird es in vielen Solarmodulen verwendet, da es günstiger in der Herstellung ist und dünnere Solarzellen ermöglicht.
Was ist amorphes Silizium und wie unterscheidet es sich von kristallinem Silizium?
In der Solartechnik wird Silizium in verschiedenen Formen verwendet, darunter kristallines Silizium und amorphes Silizium. Kristallines Silizium, auch mono- oder polykristallines Silizium genannt, hat eine geordnete Kristallstruktur und ist das am häufigsten verwendete Material für Solarzellen.
Kristallines Silizium wird aus hochreinem Silizium in einem aufwändigen Herstellungsprozess, dem sogenannten Zonenschmelzverfahren, gewonnen. Dabei wird ein Siliziumstab in einem Ofen geschmolzen und langsam abgekühlt, so dass sich Kristalle bilden. Diese Kristalle werden dann in dünne Scheiben geschnitten, die als Wafer für Solarzellen verwendet werden.
Amorphes Silizium hingegen hat keine regelmäßige Kristallstruktur und wird für Dünnschichtsolarzellen verwendet. Die Herstellung amorpher Siliziumschichten erfolgt durch chemische Gasphasenabscheidung, bei der gasförmiges Siliziumdioxid unter Zugabe von Wasserstoff auf ein Substrat aufgebracht wird.
Der Hauptunterschied zwischen kristallinem und amorphem Silizium liegt im Wirkungsgrad. Kristalline Siliziumsolarzellen haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Siliziumsolarzellen. Grund dafür ist die geordnete Kristallstruktur des kristallinen Siliziums, die eine effektivere Absorption von Photonen ermöglicht und einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erreicht. Amorphe Silizium-Solarzellen haben jedoch den Vorteil, dass sie kostengünstiger hergestellt werden können, da sie dünnere Schichten und weniger Material benötigen.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen kristallinem und amorphem Silizium ist die Leistung bei schwachem Licht. Kristalline Siliziumsolarzellen haben in der Regel eine höhere Schwachlichtleistung als amorphe Siliziumsolarzellen, da sie einen höheren Absorptionsgrad und eine höhere Ladungsträgerdichte aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass kristallines Silizium aufgrund seines höheren Wirkungsgrades und seiner Leistung bei schwachem Licht das am häufigsten verwendete Material für Solarzellen ist. Amorphes Silizium hingegen hat den Vorteil, dass es kostengünstiger hergestellt werden kann und dünnere Solarzellen ermöglicht. Beide Materialien haben jedoch ihren Platz in der Solartechnik und werden je nach den Anforderungen der Anwendung eingesetzt.
Wie wird amorphes Silizium für die Herstellung von Solarzellen verwendet?
Amorphes Silizium wird in der Solartechnik als Dünnschichtsolarzelle verwendet. Im Vergleich zu kristallinen Solarzellen benötigt amorphes Silizium weniger Material, um die gleiche Fläche abzudecken, da es in dünnen Schichten auf ein Substrat aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Produktion von Solarzellen und macht sie besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen die Materialkosten ein entscheidender Faktor sind, wie zum Beispiel bei großflächigen Solarkraftwerken.
Die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium erfolgt in einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess, bei dem ein Siliziumdioxid-Gas unter Zugabe von Wasserstoff auf ein Substrat aufgebracht wird. Die so erzeugte Siliziumschicht weist eine unregelmäßige, amorphe Struktur auf. Dies führt dazu, dass amorphe Siliziumsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen eine geringere Leistungsdichte aufweisen.
Um die Leistung amorpher Siliziumsolarzellen zu verbessern, werden häufig so genannte Tandemsolarzellen eingesetzt. Dabei wird eine Schicht aus amorphem Silizium mit einer Schicht aus kristallinem Silizium kombiniert. Die kristalline Schicht kann aufgrund ihrer geordneten Kristallstruktur eine höhere Leistungsdichte aufweisen, während die amorphe Schicht kostengünstiger ist und eine höhere Lichtabsorption ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit, die Leistung von Solarzellen aus amorphem Silizium zu verbessern, ist die Beimischung anderer Materialien wie Germanium oder Kohlenstoff. Diese Materialien können dazu beitragen, den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen, indem sie die Absorption des Sonnenlichts verbessern und die Beweglichkeit der Elektronen erhöhen.
Welche Vorteile haben Solarzellen aus amorphem Silizium im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Ein potenzielles Risiko bei der Herstellung von amorphen Siliziumsolarzellen ist der Einsatz von Chemikalien, die bei der Produktion verwendet werden. Dazu gehören Silan und Phosphin, die beim Aufbringen des Siliziums auf das Substrat verwendet werden. Diese Chemikalien können giftig sein und müssen daher sorgfältig gehandhabt werden, um das Risiko von Unfällen oder Kontaminationen zu minimieren.
Ein weiterer Aspekt, der bei der Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium berücksichtigt werden muss, ist der Energieverbrauch. Die Herstellung von Silizium ist sehr energieintensiv, da es aus Siliziumdioxid gewonnen wird, das in einem energieintensiven Prozess in Silizium umgewandelt wird. Die Verwendung von recyceltem oder aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenem Silizium kann dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck von Solarmodulen zu verringern.
Amorphes Silizium gilt als relativ umweltfreundlich, da es keine giftigen oder schädlichen Stoffe enthält. Allerdings können Solarmodule im Laufe ihrer Lebensdauer potenziell schädliche Stoffe freisetzen, wenn sie unsachgemäß entsorgt oder bei einem Brand zerstört werden. Die meisten Solarmodule enthalten jedoch nur geringe Mengen an Schwermetallen und anderen potenziell schädlichen Stoffen, wodurch das Risiko für die Umwelt minimiert wird.
Insgesamt ist amorphes Silizium eine vergleichsweise sichere und umweltfreundliche Technologie, die dazu beitragen kann, den ökologischen Fußabdruck der Energieerzeugung zu verringern. Die Einhaltung von Sicherheits- und Umweltschutzmaßnahmen bei der Herstellung und Entsorgung von Solarmodulen ist jedoch entscheidend, um das Risiko potenzieller Umweltauswirkungen zu minimieren.
Wie effizient sind Solarzellen aus amorphem Silizium im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Die Lebensdauer von Solarzellen aus amorphem Silizium hängt von verschiedenen Faktoren wie Qualität der Herstellung, Installation und Wartung, Umweltbedingungen und Einsatzgebiet ab. Im Allgemeinen wird jedoch eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren erwartet.
Im Vergleich zu kristallinen Siliziumzellen haben amorphe Siliziumzellen eine kürzere Lebensdauer, da sie anfälliger für die Degradation durch Feuchtigkeit, Wärme und Licht sind. Dies kann dazu führen, dass die Leistung der Zellen mit der Zeit abnimmt. Ein weiterer Faktor, der die Lebensdauer amorpher Siliziumzellen beeinflussen kann, ist die so genannte Licht- und Temperaturdegradation. Wenn die Zellen über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, kann dies zu einer Verringerung der Zellenleistung führen.
Um die Lebensdauer von Solarzellen aus amorphem Silizium zu erhöhen, ist eine sorgfältige Installation und Wartung erforderlich. Dazu gehören beispielsweise die Verwendung witterungsbeständiger Materialien und die Verwendung von Befestigungssystemen, die eine gute Luftzirkulation ermöglichen. Außerdem ist es wichtig, die Zellen regelmäßig zu reinigen und zu inspizieren, um Schäden frühzeitig erkennen und beheben zu können.
Wie langlebig sind amorphe Siliziumsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Amorphe Silizium-Solarzellen haben eine typische Lebensdauer von etwa 20 bis 25 Jahren, was etwas kürzer ist als bei kristallinen Solarzellen. Kristalline Solarzellen haben typischerweise eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren oder mehr, je nach Qualität der Materialien und der Herstellung.
Ein Grund für die etwas kürzere Lebensdauer von Solarzellen aus amorphem Silizium ist ihre höhere Empfindlichkeit. Die amorphen Siliziumschichten in diesen Zellen sind anfälliger für Schäden durch Feuchtigkeit, UV-Strahlung und andere Umwelteinflüsse als die kristallinen Siliziumschichten in kristallinen Solarzellen. Auch die Qualität der Materialien und der Herstellungsprozesse spielt eine Rolle, da minderwertige Materialien und schlechte Herstellungsverfahren die Lebensdauer der Solarzellen verkürzen können.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Lebensdauer von Solarzellen oft von Umweltfaktoren und der Installation abhängt. Die Installation von Solarmodulen auf Dächern, wo sie der Sonne, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, kann die Lebensdauer der Solarzellen beeinflussen. Eine gute Installation, Wartung und Reinigung der Solarmodule kann dazu beitragen, ihre Lebensdauer zu verlängern.
Insgesamt ist es wichtig, die Lebensdauer der Solarzellen zu berücksichtigen, wenn man sich für eine bestimmte Technologie entscheidet, aber es ist auch wichtig, die gesamte Lebensdauer der Solaranlage zu berücksichtigen, einschließlich Installation, Wartung und Recycling am Ende der Lebensdauer.
Wie teuer sind amorphe Siliziumsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Die Kosten von Solarmodulen, sowohl aus amorphem als auch aus kristallinem Silizium, hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Materialkosten, Herstellungskosten, Modulwirkungsgrad und Produktionsgröße. -Solarzellen sind heute zu relativ niedrigen Kosten erhältlich.
Im Allgemeinen waren kristalline Solarzellen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades in der Vergangenheit teurer als amorphe Silizium-Solarzellen. Dies liegt daran, dass kristalline Solarzellen in der Regel aus hochreinem Silizium hergestellt werden, das aufwändig produziert wird, um die hohe Reinheit und Kristallstruktur zu erreichen. Amorphe Siliziumsolarzellen hingegen werden aus einer dünnen Schicht amorphen Siliziums hergestellt, die auf ein Substrat aufgedampft wird, was ein weniger aufwendiges Verfahren ist. Allerdings sind die Kosten für kristalline Solarzellen in den letzten Jahren stark gesunken, und viele Hersteller produzieren heute kristalline Solarzellen in großen Mengen, was zu einem Kostenvorteil führt.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Kosten für Solarmodule von Land zu Land und von Region zu Region variieren können, abhängig von Faktoren wie Steuern, Zöllen und der Verfügbarkeit von Subventionen und Anreizen. In einigen Ländern können Solarzellen aus amorphem Silizium kostengünstiger sein als kristalline Solarzellen, während es in anderen Ländern umgekehrt sein kann.
Wie wird amorphes Silizium für Solarzellen hergestellt?
Die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium beginnt mit der Abscheidung einer dünnen Schicht amorphen Siliziums auf einem Substrat, das typischerweise aus Glas oder Kunststoff besteht. Die Abscheidung erfolgt in einem Vakuumreaktor, der als Plasma-CVD (Chemical Vapor Deposition) bezeichnet wird.
In einem Plasma-CVD-Reaktor wird Silan (SiH4) in einem Gasgemisch aus Wasserstoff (H2) und Argon (Ar) verdampft. Das Gas wird dann in eine Entladungskammer geleitet, wo es durch eine Hochfrequenzentladung ionisiert wird. Die ionisierten Atome schlagen sich auf dem Substrat nieder und bilden eine dünne Schicht aus amorphem Silizium.
Die Dicke der amorphen Siliziumschicht liegt typischerweise zwischen 100 und 500 Nanometern. Um eine Solarzelle herzustellen, werden mehrere Schichten übereinander abgeschieden, um eine ausreichende Dicke und Effizienz zu erreichen. Zwischen den Schichten wird eine Schicht aus dotiertem amorphem Silizium aufgebracht, um einen p-n-Übergang und damit die Stromerzeugung zu ermöglichen.
Die fertige Solarzelle wird dann in einem Schutzgehäuse eingeschlossen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen und den Wirkungsgrad der Zelle zu erhöhen. Amorphe Silizium-Solarzellen haben typischerweise einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Silizium-Solarzellen, sind aber einfacher und kostengünstiger herzustellen.
Wie wird die Leistung von Solarzellen aus amorphem Silizium gemessen?
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung des Wirkungsgrades von Solarzellen, darunter die Einzelzellenmessung und die Modulmessung.
Bei der Einzelzellenmessung wird der Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle bestimmt. Dabei wird die Solarzelle in einem Dunkelraum oder unter standardisierten Beleuchtungsbedingungen belichtet und der Strom- und Spannungsausgang der Zelle gemessen. Der Wirkungsgrad wird dann berechnet, indem der erzeugte Strom mit der eingestrahlten Leistung multipliziert und durch die Fläche der Solarzelle dividiert wird.
Die Modulmessung wird durchgeführt, um den Wirkungsgrad eines aus mehreren Solarzellen bestehenden Solarzellenmoduls zu bestimmen. Dabei wird das Modul unter genormten Beleuchtungsbedingungen bestrahlt und der Strom- und Spannungsausgang des Moduls gemessen. Der Wirkungsgrad wird dann berechnet, indem der erzeugte Strom mit der eingestrahlten Leistung multipliziert und durch die Modulfläche dividiert wird.
Zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen aus amorphem Silizium typischerweise niedriger ist als der von Zellen aus kristallinem Silizium. Dies liegt daran, dass amorphes Silizium eine geringere elektronische Leitfähigkeit hat und Licht weniger effizient in elektrische Energie umwandelt. Daher werden häufig mehrere Schichten amorphen Siliziums übereinander gestapelt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Fazit
Amorphes Silizium ist eine Variante des Siliziums, die in Dünnschichtsolarzellen verwendet wird und den Vorteil hat, dass sie kostengünstig hergestellt werden kann, aber einen geringeren Wirkungsgrad als kristallines Silizium hat. Während kristallines Silizium aufgrund seiner geordneten Kristallstruktur das am häufigsten verwendete Material für Solarzellen ist, weist amorphes Silizium keine regelmäßige Anordnung der Atome auf. Dies führt zu unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften und optischer Absorption. Amorphes Silizium wird für Dünnschichtsolarzellen verwendet, deren Schichten durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Diese Solarzellen sind kostengünstiger in der Herstellung und besser für großflächige Solarpaneele geeignet, haben aber aufgrund ihrer unregelmäßigen Struktur einen geringeren Wirkungsgrad als kristallines Silizium. Dennoch ist amorphes Silizium in vielen Solarpaneelen weit verbreitet, da es dünnere Solarzellen ermöglicht und billiger in der Herstellung ist.
