Artikel aktualisiert am 07.05.2023
von Boris Stippe | ca: 8 Min. zu lesen

Reflexionsstrahlung

Wie stark reflektieren Solarmodule Sonnenlicht?

Unter Reflexion versteht man den Effekt, dass das Sonnenlicht an einer Solarzelle reflektiert wird und dadurch weniger Energie in Strom umgewandelt werden kann. Dies kann durch spezielle Antireflexbeschichtungen der Solarzellen verhindert werden.

Reflexion auf Solarmodul
Reflexion auf Solarmodul (Bildquelle: Arsenii – stock.adobe.com)

Reflexion ist ein Begriff, der im Zusammenhang mit der solaren Stromerzeugung verwendet wird. Er beschreibt den Effekt, dass ein Teil des auf eine Solarzelle auftreffenden Sonnenlichts reflektiert wird und somit nicht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Diese Reflexion entsteht durch den unterschiedlichen Brechungsindex von Luft und dem Material der Solarzelle. Ein Teil des Sonnenlichts wird an der Oberfläche der Zelle reflektiert, ein anderer Teil dringt in das Material ein.

Durch diesen Effekt geht ein Teil der auf die Solarzelle auftreffenden Energie ungenutzt verloren. Um dies zu verhindern, können Antireflexschichten auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht werden. Diese Schichten brechen das Sonnenlicht so, dass weniger davon reflektiert wird und stattdessen mehr in die Solarzelle eindringt. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Solarzelle und es kann mehr Strom erzeugt werden.

Was ist Reflexionsstrahlung und warum ist sie für die solare Stromerzeugung wichtig?

Reflexionsstrahlung bezeichnet den Effekt, dass ein Teil des auf eine Solarzelle auftreffenden Sonnenlichts von der Oberfläche der Solarzelle reflektiert wird und somit nicht zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden kann. Dieser Effekt ist auf den unterschiedlichen Brechungsindex von Luft und dem Material der Solarzelle zurückzuführen. Eine solche Reflexion tritt vor allem bei kristallinen Solarzellen auf, die aus dünnen Schichten von Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen.

Reflexionsstrahlung ist für die solare Stromerzeugung von Bedeutung, da sie den Wirkungsgrad der Solarzellen beeinflusst. Je höher der Reflexionsgrad, desto weniger Sonnenenergie kann von der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Dies kann dazu führen, dass die Energieausbeute der Solarzellen sinkt und die Stromkosten steigen. Daher ist es wichtig, die Reflexion des Sonnenlichts auf den Solarzellen zu minimieren.

Eine Möglichkeit, die Reflexion zu minimieren, ist die Verwendung von Antireflexbeschichtungen auf der Oberfläche der Solarzelle. Diese Beschichtungen bestehen in der Regel aus einer dünnen Schicht eines Materials mit niedrigem Brechungsindex, die auf die Solarzelle aufgebracht wird. Dadurch wird die Menge des reflektierten Lichts verringert und die Menge des absorbierten Lichts erhöht, was wiederum zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzelle führt.

Es ist auch wichtig zu wissen, dass die Empfindlichkeit von Solarzellen gegenüber reflektierter Strahlung von verschiedenen Faktoren abhängt, wie z.B. der Art der Solarzelle und der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Daher müssen Solarzellen so konstruiert sein, dass sie unter verschiedenen Lichtbedingungen effizient arbeiten. In der Praxis werden Solarzellen auch häufig so angeordnet, dass das Licht von einer Zelle zur nächsten weitergeleitet wird, wodurch die Reflexionsstrahlung weiter minimiert wird.

Wie beeinflusst reflektierte Strahlung den Wirkungsgrad von Solarzellen und wie kann dieser verbessert werden?

Reflektierte Strahlung hat einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad von Solarzellen, da ein Teil des auf die Zelle auftreffenden Sonnenlichts von der Oberfläche reflektiert wird und somit nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Menge der reflektierten Strahlung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Art der Solarzelle und der Wellenlänge des einfallenden Lichts.

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern, können verschiedene Methoden eingesetzt werden, um die Reflexion zu minimieren. Eine gängige Methode ist das Aufbringen von Antireflexbeschichtungen auf die Solarzellen. Diese Beschichtungen bestehen aus einer dünnen Schicht eines Materials mit niedrigem Brechungsindex, das das Sonnenlicht so bricht, dass weniger davon reflektiert wird und stattdessen mehr in die Solarzelle eindringen kann. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Solarzelle und damit die Energieausbeute.

Eine weitere Möglichkeit, die Reflexion zu minimieren, ist die Verwendung von strukturierten Oberflächen. Diese Oberflächen sind in der Regel rau und uneben, was dazu führt, dass das Sonnenlicht mehrfach gebrochen und gestreut wird, bevor es von der Solarzelle reflektiert wird. Dadurch wird die Menge des reflektierten Lichts verringert und die Menge des absorbierten Lichts erhöht, was wiederum zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzelle führt.

Eine weitere Methode, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern, ist die Verwendung von Mehrschicht-Solarzellen. Diese Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten von Halbleitermaterialien, die das Sonnenlicht in verschiedene Wellenlängenbereiche aufspalten und so mehr Sonnenenergie absorbieren können. Dadurch wird die Menge des reflektierten Lichts reduziert und der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht.

Welche Materialien werden für Antireflexbeschichtungen verwendet und wie werden sie auf die Solarzellen aufgebracht?

Antireflexbeschichtungen werden auf die Oberfläche von Solarzellen aufgebracht, um die Reflexion des Sonnenlichts zu minimieren und den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen. Diese Beschichtungen bestehen aus Materialien mit niedrigem Brechungsindex, die das Licht so brechen, dass weniger Licht reflektiert wird und mehr Licht in die Solarzelle eindringt.

Die am häufigsten verwendeten Materialien für Antireflexbeschichtungen sind Metalloxide wie Siliziumdioxid (SiO2), Titanoxid (TiO2) und Zirkoniumoxid (ZrO2). Diese Materialien haben einen niedrigen Brechungsindex und sind in der Lage, das Licht so zu brechen, dass es weniger stark reflektiert wird. Eine dünne Schicht dieser Materialien auf der Oberfläche der Solarzelle kann die Reflexion um bis zu 90% reduzieren.

Die Antireflexschichten werden in der Regel durch physikalische oder chemische Verfahren auf die Solarzellen aufgebracht. Zu den gebräuchlichsten physikalischen Verfahren gehören die Vakuumbeschichtung, die Sputterbeschichtung und die Sol-Gel-Technologie. Bei der Vakuumbeschichtung wird das Material in einer Vakuumkammer auf die Oberfläche der Solarzelle aufgedampft. Bei der Sputterbeschichtung wird das Material durch Ionenbeschuss auf die Solarzelle aufgebracht. Bei der Sol-Gel-Technologie hingegen bildet eine Flüssigkeit, die das Material enthält, eine Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle.

Zu den chemischen Verfahren zur Herstellung von Antireflexbeschichtungen gehören die Tauchbeschichtung und die elektrophoretische Beschichtung (EPD). Bei der Tauchbeschichtung wird die Solarzelle in eine Lösung des Beschichtungsmaterials eingetaucht und die Schicht bildet sich durch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche. Bei der Elektroabscheidung wird dagegen eine elektrische Spannung angelegt, um das Material aus einer Suspension auf die Oberfläche der Solarzelle zu ziehen.

Wie hoch ist der Energieverlust durch reflektierte Strahlung bei Solarzellen ohne Antireflexbeschichtung im Vergleich zu Solarzellen mit Antireflexbeschichtung?

Der Energieverlust durch reflektierte Strahlung bei Solarzellen ohne Antireflexbeschichtung kann je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit der Solarzelle variieren. Im Allgemeinen wird geschätzt, dass der Energieverlust durch Reflexion bei einer unbeschichteten Solarzelle zwischen 5 und 10 Prozent liegen kann. Das bedeutet, dass bis zu 10 Prozent der auf die Solarzelle auftreffenden Energie reflektiert und nicht in elektrische Energie umgewandelt wird.

Durch das Aufbringen von Antireflexschichten auf die Oberfläche der Solarzellen kann dieser Energieverlust deutlich reduziert werden. Durch den Einsatz von Antireflexbeschichtungen kann die Reflexion des Sonnenlichts auf Solarzellen um bis zu 90 Prozent reduziert werden. Das bedeutet, dass bis zu 90 Prozent des einfallenden Sonnenlichts von der Solarzelle absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt werden können.

Der genaue Energieverlust hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel dem Typ der Solarzelle, der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Oberflächenbeschaffenheit. Im Allgemeinen haben kristalline Solarzellen ohne Antireflexbeschichtung einen höheren Energieverlust durch Reflexion als Dünnschichtsolarzellen. Die Verwendung von texturierten Oberflächen kann den Energieverlust durch Reflexion ebenfalls verringern.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Energieverlust durch Reflexion nicht der einzige Faktor ist, der den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinflusst. Es gibt auch andere Verluste wie Absorptionsverluste und Transmissionsverluste. Eine wirksame Antireflexbeschichtung kann jedoch dazu beitragen, den Energieverlust durch Reflexion zu minimieren und somit den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern.

Wie unterscheiden sich Solarzellen in ihrer Empfindlichkeit gegenüber reflektierter Strahlung?

Solarzellen unterscheiden sich in ihrer Empfindlichkeit gegenüber reflektierter Strahlung aufgrund unterschiedlicher Konstruktionen und Materialien. Die Empfindlichkeit gegenüber reflektierter Strahlung hängt auch von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab, da verschiedene Materialien bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Absorptions- und Reflexionseigenschaften aufweisen.

Kristalline Solarzellen, die aus dünnen Schichten von Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen, sind im Allgemeinen empfindlicher gegenüber reflektierter Strahlung als Dünnschichtsolarzellen. Dies liegt daran, dass kristalline Solarzellen eine glatte Oberfläche haben, die dazu neigt, einen größeren Teil des einfallenden Sonnenlichts zu reflektieren. Einige Arten von kristallinen Solarzellen, wie z. B. monokristalline Solarzellen, können jedoch durch texturierte Oberflächen oder Antireflexbeschichtungen empfindlicher gemacht werden.

Dünnschichtsolarzellen wie amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe) haben in der Regel eine texturierte Oberfläche, die dazu neigt, weniger Sonnenlicht zu reflektieren. Daher sind Dünnschichtsolarzellen im Allgemeinen weniger empfindlich gegenüber reflektierter Strahlung als kristalline Solarzellen. Die Empfindlichkeit von Dünnschichtsolarzellen gegenüber reflektierter Strahlung kann jedoch durch Antireflexbeschichtungen weiter verbessert werden.

Ein weiterer Faktor, der die Empfindlichkeit von Solarzellen gegenüber reflektierter Strahlung beeinflusst, ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Zum Beispiel haben Silizium-Solarzellen eine höhere Absorption für Licht im Bereich von 400-1100 nm, während CIGS-Solarzellen eine höhere Absorption für Licht im Bereich von 1000-1600 nm haben. Daher sind CIGS-Solarzellen weniger empfindlich für reflektierte Strahlung im sichtbaren Spektrum und empfindlicher für reflektierte Strahlung im nahen Infrarotbereich.

Fazit

Reflexion bedeutet, dass ein Teil des Sonnenlichts von der Oberfläche der Solarzelle reflektiert wird und nicht in Strom umgewandelt werden kann. Dieser Effekt kann durch Antireflexbeschichtungen der Solarzellen verringert werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Reflexion zu minimieren, z.B. durch strukturierte Oberflächen oder Mehrschicht-Solarzellen. Antireflexbeschichtungen bestehen aus Materialien mit niedrigem Brechungsindex wie Siliziumdioxid oder Titanoxid und werden auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht. Der Energieverlust durch Reflexion liegt je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit zwischen 5 und 10 Prozent und kann durch den Einsatz von Antireflexschichten um bis zu 90 Prozent reduziert werden. Die Empfindlichkeit gegenüber reflektierter Strahlung variiert je nach Solarzellentyp und Material.

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