Was sind Dünnschicht-Photovoltaik Module?
Eine Dünnschichtsolarzelle ist eine Solarzelle, die aus einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials besteht, die auf ein Substrat wie Glas oder Kunststoff aufgebracht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium sind Dünnschichtsolarzellen weniger material- und energieintensiv in der Herstellung, was zu niedrigeren Kosten und einer besseren Umweltbilanz führen kann.
Eine Dünnschichtsolarzelle ist eine spezielle Art von Solarzelle, die eine dünnere Halbleiterschicht aufweist als herkömmliche Solarzellen. Sie besteht aus einem Trägermaterial wie Glas oder Kunststoff, auf das eine Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die aus kristallinem Silizium bestehen, können Dünnschichtsolarzellen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmiumtellurid (CdTe) oder organische Materialien.
Dünnschichtsolarzellen haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer geringeren Dicke und des geringeren Materialeinsatzes flexibler sind als kristalline Solarzellen. Sie können auf gekrümmten, flexiblen Oberflächen montiert werden und eignen sich daher besser für Anwendungen wie tragbare Geräte und Gebäudeintegration. Darüber hinaus sind Dünnschichtsolarzellen in der Regel kostengünstiger in der Herstellung als kristalline Solarzellen und weisen aufgrund des geringeren Materialbedarfs eine bessere Umweltbilanz auf.
Trotz dieser Vorteile haben Dünnschichtsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen auch einige Nachteile. Sie haben in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad und eine kürzere Lebensdauer, was sie für große Solaranlagen weniger geeignet macht. Dennoch sind Dünnschichtsolarzellen eine vielversprechende Technologie, die aufgrund ihrer Flexibilität und ihres geringeren Materialbedarfs in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Solarstrom spielen könnte.
Wie unterscheidet sich der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Dünnschichtsolarzellen haben typischerweise einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Solarzellen. Während kristalline Solarzellen Wirkungsgrade von 15-20% erreichen können, liegt der typische Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen zwischen 5-13%.
Dies liegt zum Teil daran, dass Dünnschichtsolarzellen eine geringere Absorptionseffizienz aufweisen. Das bedeutet, dass sie weniger Sonnenlicht absorbieren können, was zu einer geringeren Stromerzeugung führt. Darüber hinaus haben Dünnschichtsolarzellen aufgrund ihrer dünneren Halbleiterschichten oft eine geringere Spannung als kristalline Solarzellen, was ebenfalls zu einer geringeren Stromausbeute führt.
Es gibt jedoch einige Dünnschicht-Solarzellentechnologien, die höhere Wirkungsgrade erreichen können. Beispielsweise haben CIGS-Solarzellen, die aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid bestehen, Wirkungsgrade von bis zu 23,4 % erreicht. Eine weitere vielversprechende Technologie sind Perowskit-Solarzellen, die Wirkungsgrade von bis zu 25,2 % erreichen können.
Obwohl kristalline Solarzellen derzeit einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, haben Dünnschichtsolarzellen aufgrund ihres geringeren Material- und Energieeinsatzes Vorteile in der Umweltbilanz und bei den Kosten. Sie eignen sich auch besser für Anwendungen, bei denen es auf Flexibilität und geringes Gewicht ankommt, z. B. bei der Integration in Gebäude oder in tragbare Geräte. Während der Wirkungsgrad ein wichtiger Faktor bei der Bewertung von Solarzellen ist, sind auch andere Faktoren wie Kosten, Umweltbilanz und Anwendungsbereich von Bedeutung.
Welche Vor- und Nachteile haben Dünnschichtsolarzellen im Vergleich zu kristallinen Solarzellen?
Ein Vorteil von Dünnschichtsolarzellen gegenüber kristallinen Solarzellen ist der geringere Materialaufwand. Dünnschichtsolarzellen benötigen nur einen Bruchteil des Materials, das für kristalline Solarzellen benötigt wird, um die gleiche Fläche abzudecken. Dies führt zu geringeren Material- und Transportkosten, was wiederum zu geringeren Kosten für den Endverbraucher führen kann. Darüber hinaus ist die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen häufig weniger energieintensiv als die Herstellung kristalliner Solarzellen.
Ein weiterer Vorteil von Dünnschicht-Solarzellen ist ihre Flexibilität. Die dünne Schicht aus Halbleitermaterial auf Kunststoff- oder Glassubstraten ermöglicht die Montage auf flexiblen Oberflächen, wodurch sie in einem breiteren Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden können. Sie können auch als flexible, gebogene oder gerollte Module hergestellt werden, was insbesondere für die Gebäudeintegration von Vorteil ist.
Ein Nachteil von Dünnschichtsolarzellen ist ihr typischerweise niedrigerer Wirkungsgrad im Vergleich zu kristallinen Solarzellen. Aufgrund der geringeren Absorptionseffizienz und der dünneren Halbleiterschichten haben Dünnschichtsolarzellen eine geringere Stromabgabe pro Fläche als kristalline Solarzellen. Das bedeutet, dass größere Flächen benötigt werden, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen, was die Installationskosten erhöhen kann. Außerdem haben Dünnschichtsolarzellen in der Regel eine kürzere Lebensdauer als kristalline Solarzellen.
Insgesamt bieten Dünnschichtsolarzellen aufgrund ihrer geringeren Material- und Energieintensität und ihrer Flexibilität Vorteile, insbesondere für Anwendungen wie Gebäudeintegration und tragbare Geräte. Kristalline Solarzellen sind jedoch aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades und ihrer längeren Lebensdauer besser für den Einsatz in großen Solaranlagen geeignet.
Wie wird eine Dünnschicht-Solarzelle hergestellt?
Eine Dünnschichtsolarzelle wird typischerweise durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial auf ein Substrat hergestellt. Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen, die sich in den verwendeten Materialien und im Herstellungsprozess unterscheiden. Im Folgenden werden die Schritte zur Herstellung einer typischen Dünnschichtsolarzelle beschrieben.
Zunächst wird ein Substratmaterial wie Glas oder Kunststoff vorbereitet, indem es gereinigt und gegebenenfalls mit einer dünnen Schicht eines leitfähigen Materials wie Zinkoxid beschichtet wird. Anschließend wird eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial auf das Substrat aufgebracht. Das Halbleitermaterial kann aus verschiedenen Materialien bestehen, darunter amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmiumtellurid (CdTe) oder organische Materialien.
Das Halbleitermaterial kann je nach Art des Halbleitermaterials auf unterschiedliche Weise auf das Substrat aufgebracht werden. Eine gängige Methode ist die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), bei der das Halbleitermaterial durch Verdampfen und Abscheiden aus einer Quelle auf das Substrat aufgebracht wird. Eine andere Methode ist die chemische Abscheidung (CVD), bei der das Halbleitermaterial aus der Gasphase abgeschieden wird.
Nach dem Aufbringen der Halbleiterschicht auf das Substrat wird diese in der Regel mit einer transparenten Schicht aus einem Material wie Indiumzinnoxid (ITO) abgedeckt, um eine elektrische Verbindung herzustellen und das Halbleitermaterial zu schützen. Schließlich werden Kontakte auf der Vorder- und Rückseite der Zelle angebracht, um den Stromfluss zu ermöglichen.
Aus welchen Materialien werden Dünnschichtsolarzellen hergestellt?
Amorphes Silizium (a-Si) ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien für Dünnschichtsolarzellen. Es wird durch Aufdampfen von Silizium auf ein Substrat hergestellt. Es ist billig in der Herstellung und kann in großen Mengen produziert werden. Amorphes Silizium hat jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als kristallines Silizium und kann durch längere Einwirkung von Licht und Feuchtigkeit geschädigt werden.
Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) ist ein Material, das aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid besteht. Es hat einen höheren Wirkungsgrad als amorphes Silizium und kann auch auf flexiblen Substraten hergestellt werden. CIGS-Solarzellen sind jedoch teurer in der Herstellung und erfordern höhere Temperaturen während des Herstellungsprozesses.
Cadmiumtellurid (CdTe) ist ein aus Cadmium und Tellur bestehendes Material, das häufig für Dünnschichtsolarzellen verwendet wird. Es ist kostengünstig in der Herstellung und hat einen höheren Wirkungsgrad als amorphes Silizium. CdTe-Solarzellen sind jedoch empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und müssen vor Feuchtigkeit geschützt werden.
Auch organische Materialien wie Polymere und organische Moleküle werden zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen verwendet. Sie haben den Vorteil, dass sie auf flexiblen Trägermaterialien hergestellt werden können und kostengünstig in der Herstellung sind. Allerdings haben organische Dünnschichtsolarzellen einen geringeren Wirkungsgrad und eine kürzere Lebensdauer als anorganische Dünnschichtsolarzellen.
Andere Materialien, die für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen verwendet werden, sind Perowskit, Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (CZTS) und Galliumarsenid (GaAs). Jedes Material hat Vor- und Nachteile, die bei der Auswahl des geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen.
In welchen Anwendungen werden Dünnschichtsolarzellen typischerweise eingesetzt?
Gebäudeintegration: Dünnschichtsolarzellen können in Gebäude integriert werden, um erneuerbare Energien in die Stromversorgung von Gebäuden zu integrieren. Dünnschichtsolarzellen können auf glasartige Materialien aufgebracht werden, die als Teil von Fenster- oder Dachkonstruktionen verwendet werden.
- Tragbare Geräte: Dünnschichtsolarzellen können auf flexible Substrate aufgebracht werden und eignen sich daher für den Einsatz in tragbaren Geräten wie Smartwatches, Mobiltelefonen und anderen tragbaren elektronischen Geräten.
- Verkehr: Dünnschichtsolarzellen können in Straßenlaternen, Verkehrsschildern und sogar auf Fahrbahnen eingesetzt werden. Durch die Integration von Solarzellen in die Verkehrsinfrastruktur können Städte und Gemeinden erneuerbare Energien nutzen und die Stromversorgung der Infrastruktur unabhängiger von konventionellen Energiequellen machen.
- Aktivitäten im Freien: Dünnschichtsolarzellen eignen sich für Outdoor-Aktivitäten wie Camping und Wandern. Sie können auf Rucksäcken, Zelten oder anderen Ausrüstungsgegenständen angebracht werden und dienen als Stromquelle für Mobiltelefone, Tablets oder andere Geräte.
- Landwirtschaft und Bewässerung: Dünnschichtsolarzellen können zur Stromversorgung von Bewässerungssystemen in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Sie können auch Überwachungskameras, Zäune und andere Geräte in der Landwirtschaft mit Strom versorgen.
Dünnschichtsolarzellen bieten aufgrund ihrer geringen Dicke und Flexibilität Vorteile für Anwendungen, für die herkömmliche Solarzellen aufgrund ihrer Steifigkeit und Größe nicht geeignet sind.
Wie lange hält eine Dünnschicht-Solarzelle im Vergleich zu einer kristallinen Solarzelle?
Im Allgemeinen haben kristalline Solarzellen eine längere Lebensdauer als Dünnschichtsolarzellen. Kristalline Solarzellen sind in der Regel stabiler und widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse. Sie sind auch weniger anfällig für Materialdegradation, die durch langfristige Exposition und Temperaturanstieg verursacht werden kann.
Die Lebensdauer von Dünnschichtsolarzellen wurde in den letzten Jahren erheblich verbessert. Die Verwendung von Materialien wie CIGS und CdTe hat dazu beigetragen, die Lebensdauer von Dünnschichtsolarzellen zu verlängern. In einigen Fällen wurden Lebensdauern von mehr als 20 Jahren für Dünnschichtsolarzellen berichtet.
Die Lebensdauer von Dünnschichtsolarzellen hängt auch von der Qualität der Herstellung ab. Eine unzureichende Verarbeitung und Herstellung kann die Lebensdauer der Solarzelle erheblich verkürzen. Durch die Verbesserung der Herstellungsprozesse und den Einsatz von Qualitätskontrollen kann die Lebensdauer von Dünnschichtsolarzellen erhöht werden.
Es ist auch zu beachten, dass die tatsächliche Lebensdauer von Solarzellen stark von den Umgebungsbedingungen abhängt, einschließlich der Expositionszeit, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Die Lebensdauer von Solarzellen wird normalerweise als die Zeit definiert, die erforderlich ist, bis die Leistung der Solarzelle um einen bestimmten Prozentsatz abgenommen hat. Die tatsächliche Lebensdauer von Solarzellen hängt jedoch von vielen Faktoren ab und kann von Anwendung zu Anwendung variieren.
Was kostet eine Dünnschicht-Solarzelle im Vergleich zu einer kristallinen Solarzelle?
Im Allgemeinen sind Dünnschichtsolarzellen kostengünstiger herzustellen als kristalline Solarzellen. Die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen erfordert weniger Material und weniger Energie im Herstellungsprozess als die Herstellung von kristallinen Solarzellen. Darüber hinaus können Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Trägermaterialien hergestellt werden, was zu einer weiteren Kostensenkung beitragen kann.
Die Kosten von Dünnschichtsolarzellen hängen auch vom verwendeten Material ab. Amorphes Silizium (a-Si) ist das billigste Material für Dünnschichtsolarzellen, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad als andere Materialien wie CIGS und CdTe. Diese Materialien sind teurer in der Herstellung, haben aber auch einen höheren Wirkungsgrad.
Bei den Gesamtkosten einer Solaranlage machen die Kosten für die Solarzellen nur einen Teil der Gesamtkosten aus. Andere Faktoren wie Montage- und Installationskosten können einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten ausmachen. In einigen Fällen kann der höhere Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen die höheren Materialkosten ausgleichen.
Fazit
Eine Dünnschichtsolarzelle besteht aus einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials, die auf ein Substrat wie Glas oder Kunststoff aufgebracht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium ist die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen weniger material- und energieintensiv, was zu niedrigeren Kosten und einer besseren Umweltbilanz führen kann. Aufgrund ihrer geringeren Dicke und des geringeren Materialeinsatzes sind Dünnschichtsolarzellen flexibler und daher besser für Anwendungen wie tragbare Geräte und Gebäudeintegration geeignet. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen ist typischerweise niedriger als der von kristallinen Solarzellen. Dünnschichtsolarzellen werden aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Leistungen hergestellt und können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Gebäudeintegration, tragbare Geräte, Verkehr und Aktivitäten im Freien.
