Was sind polykristalline Solarzellen in PV-Anlagen?
Polykristallines Silizium ist ein Material zur Herstellung von Solarzellen, das aus vielen kleinen Kristallen besteht, die in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind. Polykristallines Silizium ist in der Regel billiger als monokristallines Silizium, hat aber einen etwas geringeren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom.
Polykristallines Silizium ist ein weit verbreitetes Material für die Herstellung von Solarzellen, das aus vielen kleinen Kristallen besteht, die in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind. Diese Kristalle werden durch einen Schmelzprozess aus Silizium gewonnen und anschließend zu quadratischen oder rechteckigen Blöcken, den so genannten Wafern, geformt.
Multikristallines Silizium ist billiger als monokristallines Silizium, da es einfacher herzustellen ist und weniger Material beim Schneiden der Wafer verloren geht. Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus polykristallinem Silizium ist jedoch etwas geringer als der von Solarzellen aus monokristallinem Silizium, da die Kristallstruktur nicht so einheitlich ist und daher mehr Verunreinigungen im Material vorhanden sind.
Trotz dieser Einschränkungen sind Solarzellen aus polykristallinem Silizium sehr leistungsfähig und können eine hohe Energieausbeute bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom erzielen. Durch die Kombination von polykristallinem Silizium mit anderen Technologien, wie Antireflexbeschichtungen und höheren Zellspannungen, können Solarzellen mit noch höheren Wirkungsgraden hergestellt werden, was dazu beiträgt, die Nutzung der Solarenergie weiter auszubauen.
Was ist der Unterschied zwischen multikristallinem und monokristallinem Silizium?
Multikristallines und monokristallines Silizium sind zwei Arten von Materialien, die zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen beiden liegt in der Kristallstruktur des Materials.
Monokristallines Silizium besteht aus einem einzigen Kristall, der in einer bestimmten Richtung gezüchtet wird. Diese Art von Silizium hat eine hohe Kristallinität und weniger Verunreinigungen, was zu einer höheren Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie führt. Monokristallines Silizium hat eine einheitliche Farbe und Textur, so dass es leicht in große Blöcke, so genannte Wafer, geschnitten werden kann. Diese Wafer werden dann zu Solarzellen weiterverarbeitet.
Multikristallines Silizium hingegen besteht aus vielen kleinen Kristallen, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Diese Kristalle werden in einem Schmelzprozess aus Silizium gewonnen und zu Blöcken geformt, die als Wafer verwendet werden. Multikristallines Silizium hat eine geringere Kristallinität und mehr Verunreinigungen als monokristallines Silizium, was zu einer geringeren Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie führt. Multikristallines Silizium hat eine ungleichmäßige Farbe und Textur und lässt sich weniger leicht schneiden und formen als monokristallines Silizium.
Monokristallines Silizium hat zwar einen höheren Wirkungsgrad als multikristallines Silizium, ist aber auch teurer in der Herstellung. Multikristallines Silizium hingegen ist billiger und einfacher herzustellen, weshalb es von Solarzellenherstellern bevorzugt wird. In der Praxis werden sowohl monokristalline als auch multikristalline Solarzellen in der Solarindustrie verwendet, um die Anforderungen verschiedener Anwendungen zu erfüllen.
Wie wird polykristallines Silizium hergestellt und zu Solarzellen verarbeitet?
Polykristallines Silizium wird im Schmelzverfahren hergestellt, bei dem Silizium in einem Ofen geschmolzen wird. Während des Schmelzvorgangs werden Verunreinigungen aus dem Silizium entfernt, und das geschmolzene Silizium wird in Formen gegossen, um Blöcke, so genannte Ingots, zu formen. Die Ingots werden dann in Scheiben geschnitten, die Wafer genannt werden.
Zur weiteren Bearbeitung werden die Wafer in eine Reinigungslösung getaucht, um alle Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Anschließend werden die Wafer in einem Diffusionsprozess dotiert, bei dem Fremdatome in die Kristallstruktur eingebracht werden, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erzeugen. Nach der Dotierung werden die Wafer für den Ätzprozess vorbereitet, bei dem Siliziummaterial aus bestimmten Bereichen entfernt wird, um p-n-Übergänge zu erzeugen. Die p-n-Übergänge sind für die Stromerzeugung von entscheidender Bedeutung, da sie die Bewegung der Elektronen in der Solarzelle steuern.
Anschließend werden die Wafer für die Metallisierung vorbereitet, bei der eine Metallschicht auf die Oberfläche der Solarzellen aufgebracht wird. Diese Metallschicht dient dem Stromtransport von der Solarzelle zu den Anschlüssen auf der Rückseite der Solarzelle. Für die Endmontage werden die Solarzellen auf ein Trägermaterial geklebt und in ein Schutzgehäuse eingebaut, um sie vor Witterungseinflüssen und Beschädigungen zu schützen.
Nach Abschluss der Montage sind die polykristallinen Silizium-Solarzellen bereit für den Einsatz in einer Solaranlage. Die Solarzellen werden zu einer Reihe von Solarmodulen zusammengefasst und an ein Stromnetz angeschlossen, um die erzeugte Energie in das Netz einzuspeisen. Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von verschiedenen Faktoren wie der Intensität des einfallenden Sonnenlichts, der Temperatur und Verunreinigungen im Siliziummaterial ab. Dennoch bieten Solarzellen aus polykristallinem Silizium eine kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeit, saubere Energie zu erzeugen.
Wie effizient sind Solarzellen aus polykristallinem Silizium im Vergleich zu anderen Solarzellentypen?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegt typischerweise zwischen 15 % und 18 %, was sie zu einer der gängigsten und kostengünstigsten Solarzellenoptionen macht. Im Vergleich zu monokristallinen Solarzellen sind die Effizienzwerte von polykristallinen Solarzellen etwas niedriger, da polykristallines Silizium mehr Verunreinigungen enthält und die Kristallstruktur weniger homogen ist.
Eine weitere Art von Solarzellen, die Dünnschichtsolarzellen, sind im Allgemeinen weniger effizient als polykristalline oder monokristalline Solarzellen. Dünnschichtsolarzellen bestehen aus einer Schicht eines lichtabsorbierenden Materials, das auf ein Substrat aufgebracht wird. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium liegt typischerweise zwischen 6 % und 10 %, der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen auf Cadmiumtellurid-Basis zwischen 10 % und 13 %.
Bei einer anderen Technologie, der konzentrierenden Photovoltaik, wird das Sonnenlicht mit Hilfe von Linsen oder Spiegeln auf kleine Hochleistungssolarzellen gebündelt. Konzentrierende Photovoltaiksysteme können hohe Wirkungsgrade von bis zu 40% erreichen, erfordern jedoch eine sehr genaue Ausrichtung auf die Sonne und sind in der Regel teurer als herkömmliche Solarzellen.
Können Solarzellen aus polykristallinem Silizium recycelt werden?
Ja, Solarzellen aus polykristallinem Silizium können recycelt werden. Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem recycelbaren Material. Eine große Herausforderung beim Recycling von Solarzellen besteht jedoch darin, die Verunreinigungen, die während der Herstellung der Solarzellen in das Silizium gelangt sind, zu entfernen, damit das Material wieder verwendet werden kann.
Es gibt verschiedene Methoden für das Recycling von Solarzellen aus polykristallinem Silizium, darunter das mechanische Recycling, das thermische Recycling und das hydrometallurgische Recycling. Beim mechanischen Recycling werden die Solarzellen mechanisch zerlegt, um die einzelnen Bestandteile wie Silizium, Metallverbindungen und Glasabdeckung zu trennen. Diese Teile können dann für andere Anwendungen wiederverwendet oder recycelt werden.
Beim thermischen Recycling werden die Solarzellen bei hohen Temperaturen verbrannt, um das Silizium vom Rest der Zelle zu trennen. Das Silizium wird dann von Verunreinigungen gereinigt und als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Solarzellen oder für andere Anwendungen wiederverwendet.
Beim hydrometallurgischen Recycling werden die Solarzellen in einer Lösung aufgelöst, um das Silizium von anderen Bestandteilen wie Metallen und Glas zu trennen. Diese Methode kann zu einem höheren Reinheitsgrad des zurückgewonnenen Siliziums führen, erfordert jedoch einen größeren Aufwand bei der Aufbereitung der Lösung.
Wie lange halten Solarzellen aus polykristallinem Silizium und welche Faktoren beeinflussen ihre Lebensdauer?
Die Lebensdauer von Solarzellen aus polykristallinem Silizium kann je nach Betriebsbedingungen variieren. Im Allgemeinen haben Solarzellen aus polykristallinem Silizium eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren. Die Lebensdauer wird von mehreren Faktoren beeinflusst, unter anderem von:
- Umweltbedingungen: Zu den Umweltbedingungen, die die Lebensdauer von Solarzellen beeinflussen können, gehören Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Schmutzablagerungen auf der Oberfläche der Solarzelle. Einige dieser Faktoren können die Solarzelle beschädigen oder korrodieren, was ihre Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen kann.
- Herstellungsqualität: Auch die Qualität der Materialien und die Herstellungstechniken können die Lebensdauer der Solarzelle beeinflussen. Solarzellen, die aus hochwertigen Materialien hergestellt und sorgfältig montiert wurden, haben in der Regel eine längere Lebensdauer als solche aus minderwertigen Materialien.
- Wartung: Regelmäßige Wartung kann ebenfalls dazu beitragen, die Lebensdauer von Solarzellen zu verlängern. Durch die Überprüfung der Solarzellen auf Beschädigungen oder Verschmutzungen und die Reinigung der Oberfläche können Beschädigungen oder Verschmutzungen, die die Leistung und Lebensdauer der Solarzelle verringern können, beseitigt werden.
- Alterung: Solarzellen unterliegen einem natürlichen Alterungsprozess, der mit der Zeit zu einer Leistungsminderung führen kann. Dies liegt daran, dass die Kristalle im Siliziummaterial allmählich ihre elektrischen Eigenschaften verlieren, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Solarzelle führen kann.
Insgesamt ist die Lebensdauer von Solarzellen aus polykristallinem Silizium im Vergleich zu anderen Solarzellentypen relativ hoch. Durch die Einhaltung von Wartungs- und Betriebsvorschriften und die Auswahl hochwertiger Materialien und Fertigungstechniken kann die Lebensdauer der Solarzellen jedoch noch weiter erhöht werden.
Wie können Solarzellen aus polykristallinem Silizium optimal eingesetzt werden, um möglichst viel Energie zu erzeugen?
Solarzellen aus polykristallinem Silizium können optimal eingesetzt werden, um möglichst viel Energie zu erzeugen, wenn sie unter bestimmten Bedingungen installiert und betrieben werden.
- Wahl des Standorts: Der Standort sollte so gewählt werden, dass er genügend Sonnenlicht erhält, um die maximale Energiemenge zu erzeugen. Dies bedeutet, dass der Standort frei von Schatten und Hindernissen wie Bäumen oder Gebäuden sein sollte.
- Ausrichtung: In der nördlichen Hemisphäre sollten die Solarzellen nach Süden ausgerichtet sein, um die maximale Menge an Sonnenlicht zu erhalten. In der südlichen Hemisphäre sollten die Solarzellen nach Norden ausgerichtet werden.
- Neigungswinkel: Der Neigungswinkel sollte so eingestellt werden, dass die Solarzellen senkrecht zur Sonne stehen, um die maximale Menge an Sonnenlicht zu erhalten. Der Neigungswinkel sollte je nach Breitengrad und Jahreszeit angepasst werden, um eine optimale Leistung zu erzielen.
- Wartung: Schmutz, Staub oder andere Ablagerungen auf der Oberfläche der Solarzellen können die Energieproduktion verringern. Daher sollten die Solarzellen regelmäßig überprüft und gereinigt werden, um ihre Leistung zu optimieren.
- Speicherung: Eine weitere Möglichkeit, die Energieerzeugung von Solarzellen aus polykristallinem Silizium zu optimieren, besteht darin, die erzeugte Energie in Batterien oder anderen Speichersystemen zu speichern. Dadurch kann die erzeugte Energie auch dann genutzt werden, wenn keine direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist, z.B. nachts oder an bewölkten Tagen.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren können Solarzellen aus polykristallinem Silizium optimal eingesetzt werden, um die maximale Energiemenge zu erzeugen und somit zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes und zum Schutz der Umwelt beizutragen.
Wie groß sind die Umweltauswirkungen bei der Herstellung von polykristallinem Silizium im Vergleich zu anderen Materialien, die für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden?
Die Herstellung von Silizium erfordert große Mengen an Energie und Rohstoffen. Die meisten Siliziumhersteller verwenden Kohle oder Erdgas als Energiequelle für den Ofenprozess zur Siliziumherstellung. Dies kann zu hohen CO2-Emissionen führen und damit den ökologischen Fußabdruck der Solarzellenproduktion vergrößern. Einige Siliziumhersteller haben jedoch damit begonnen, auf erneuerbare Energien wie Solarenergie umzusteigen, um ihre Umweltauswirkungen zu verringern.
Die Herstellung von Solarzellen aus Cadmiumtellurid und CIGS erfordert weniger Energie als die Herstellung von Solarzellen aus Silizium und kann daher zu einer geringeren Umweltbelastung führen. Allerdings sind die verwendeten Materialien potenziell toxisch, was zu Umwelt- und Gesundheitsrisiken bei der Herstellung und Entsorgung der Solarzellen führen kann.
Um die Umweltauswirkungen der Herstellung von Solarzellen aus polykristallinem Silizium zu verringern, gibt es verschiedene Ansätze, darunter die Nutzung erneuerbarer Energiequellen für die Siliziumherstellung, die Anwendung von Recycling- und Wiederverwendungsverfahren und die Entwicklung von Technologien zur Verringerung des Energiebedarfs bei der Herstellung von Solarzellen.
Insgesamt haben Solarzellen aus polykristallinem Silizium eine geringere Umweltbelastung als andere Materialien, die für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden. Durch den Einsatz nachhaltigerer Herstellungsverfahren und die Entwicklung von Recycling- und Wiederverwendungsverfahren können die Umweltauswirkungen weiter reduziert werden.
Gibt es Innovationen bei der Herstellung von polykristallinem Silizium, die den Wirkungsgrad von Solarzellen verbessern können?
Ja, es gibt verschiedene Innovationen und Fortschritte bei der Herstellung von polykristallinem Silizium, die den Wirkungsgrad von Solarzellen verbessern können. Einige dieser Innovationen sind:
- Passivierungsschichten: Passivierungsschichten werden auf die Oberfläche von Solarzellen aufgebracht, um die Rekombination von Elektronen und Löchern zu verringern. Durch die Verringerung der Rekombination kann der Wirkungsgrad der Solarzellen verbessert werden. Verschiedene Materialien für Passivierungsschichten wurden untersucht, darunter Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Titanoxid.
- Rückseitenfeld: Eine weitere Technologie, die zur Verbesserung des Wirkungsgrades von polykristallinen Siliziumsolarzellen beitragen kann, ist das Rückseitenfeld. Beim Rückseitenfeld wird die metallische Verdrahtung auf der Rückseite der Solarzelle angebracht, wodurch die Oberfläche der Solarzelle frei von Verschattung und Verunreinigung bleibt. Durch die Reduzierung von Verschattung und Verschmutzung kann der Wirkungsgrad der Solarzelle verbessert werden.
- Verbesserung der Zellarchitektur: Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Solarzellen aus polykristallinem Silizium zu verbessern, ist die Verbesserung der Zellarchitektur. Eine neuere Architektur, die in einigen neuen Solarzellen verwendet wird, ist das HIT-Design (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), bei dem eine dünne Schicht am Übergang zwischen p- und n-Schichten hinzugefügt wird. Dadurch wird die Lichtabsorption verbessert und der Verlust durch Elektronenrekombination verringert.
- Verringerung von Verunreinigungen: Ein weiterer Fortschritt bei der Herstellung von polykristallinem Silizium ist die Reduzierung von Verunreinigungen im Siliziummaterial. Verunreinigungen können die Leistung von Solarzellen beeinträchtigen, indem sie die Rekombination von Elektronen und Löchern erhöhen. Durch die Reduzierung von Verunreinigungen kann die Leistung von Solarzellen verbessert werden.
Fazit
Polykristallines Silizium, das häufig für die Herstellung von Solarzellen verwendet wird, besteht aus vielen kleinen Kristallen, die in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind. Im Gegensatz dazu besteht monokristallines Silizium aus einem einzigen Kristall, der in einer bestimmten Richtung gezüchtet wird und eine höhere Kristallinität aufweist. Polykristallines Silizium ist billiger und einfacher herzustellen als monokristallines Silizium, hat aber einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegt typischerweise zwischen 15 % und 18 %. Polykristalline Solarzellen haben eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren und können recycelt werden. Um eine maximale Energiegewinnung zu erzielen, sollten die Solarzellen an einem sonnigen Ort installiert und regelmäßig gewartet und gereinigt werden. Die Energie kann auch in Batterien oder anderen Speichersystemen gespeichert werden.
