In den letzten Jahren fand weltweit ein bemerkenswerter Wandel hin zu erneuerbaren Energiequellen statt. Solarenergie gilt hierbei als Spitzenreiter der sauberen Energierevolution.
Solarmodule nutzen die reichlich vorhandene Energie der Sonne und haben seit ihrer Einführung erhebliche Fortschritte gemacht. Die jährliche PV-Kapazität steigt jedes Jahr, und es ist geplant, bis 2026 Erdgas und bis 2027 Kohle zu übertreffen. Es stellt sich jedoch die Frage, ob Solarmodule das Sonnenlicht künftig effizienter einfangen können werden. Aktuell liegt der Wirkungsgrad von Solarmodulen auf Siliziumbasis zwischen etwa 15 % und 20 % an Sonnenenergie, die in nutzbare Energie umgewandelt wird.
Dieser Artikel befasst sich mit erneuerbaren Energien, insbesondere mit der Solarmodultechnologie, und erforscht die spannenden Aussichten für eine verbesserte Effizienz der Sonnenlichtaufnahme.
Solarenergie und andere erneuerbare Energien
Solarenergie ist die ergiebigste und zugänglichste Quelle erneuerbarer Energie. Laut den Daten der International Energy Agency (IEA) wurden im Jahr 2022 fast 1.300 TWh an PV-Solarenergie erzeugt. Dies ist ein Rekordanstieg von 26 % von zuvor 270 TWh. 2022 übertraf Solarenergie zum ersten Mal in der Geschichte die Windenergie und wies das höchste absolute Wachstum aller erneuerbaren Technologien auf. Diese Wachstumsrate der Stromerzeugung entspricht dem, was das Szenario Net Zero Emissions by 2050 (Netto-Null-Emissionen bis 2050) für die Jahre 2023 bis 2030 erwartet.
Aktueller Stand der Effizienz von Solarmodulen
Solarmodule sind auch als Photovoltaik (PV)-Module bekannt und ihre Effizienz wurde in den letzten Jahrzehnten erheblich gesteigert. Herkömmliche Solarmodule auf Siliziumbasis sind jetzt kommerziell nutzbar, und zahlreiche Anlagen befinden bereits auf Dächern und in Landschaften auf der ganzen Welt. Wie eingangs erwähnt, liegt der Wirkungsgrad dieser Module, gemessen an ihrer Fähigkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, in der Regel zwischen 15 % und 20 %.
Diese Zahlen sind zwar beeindruckend, aber die Suche nach mehr Effizienz geht weiter. Forscher und Ingenieure arbeiten ständig an innovativen Techniken, um Solarzellen noch effizienter, günstiger und umweltfreundlicher zu gestalten.
Modernste Solarmodul-Technologien
Neue Designs und Ebenen bieten einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Energieausnutzung. Während Solarzellen aus Silizium nur ein geringes Spektrum des Sonnenlichts umwandeln, ermöglichen neuere Materialien eine bessere Lichtabsorption.
Perowskitsolarzellen
Perowskit, ein Titan- und Kalziumkristall, ist effektiver bei der Absorption von näher am Infrarotspektrum liegendem Licht. Die leichten und flexiblen Zellen werden mit kostengünstigen Verfahren hergestellt, was sie zu einer guten Option für zukünftige Solarmodule macht.
Perowskitsolarzellen haben das Potenzial, einen höheren Wirkungsgrad als Solarzellen auf Siliziumbasis zu erzielen. Forscher arbeiten kontinuierlich an der Verfeinerung von Perowskitformulierungen. Ihr Ziel ist es, die Stabilität und Leistung zu verbessern und den Wirkungsgrad möglicherweise über die derzeitigen Normen hinaus zu steigern. Der Beweis dafür findet sich in der Schweiz, wo Forscher der EPFL und des CSEM zum ersten Mal die Wirkungsgradschwelle von 30 % für Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen erfolgreich überschritten haben.
Diese hocheffizienten Ergebnisse erfordern jetzt weiterführende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, damit sie größflächig übertragen werden können. Auf diese Weise soll auch sichergestellt werden, dass diese neuen Zellen auf unseren Dächern und anderswo über eine normale Lebensdauer eine stabile Leistung erbringen.
– Quentin Jeangros vom CSEM
Erfahren Sie mehr über Perowskit-Solarzellen in unserem Artikel über top 5 innovative Solartechnologien.
Tandemsolarzellen
Eine vielversprechende Methode zur Steigerung der Effizienz von Solarmodulen ist die Entwicklung von Tandemsolarzellen. Diese Zellen stapeln zwei oder mehrere Schichten verschiedener Halbleitermaterialien, um ein breiteres Sonnenlichtspektrum einzufangen. Diese Schichten können eine Mischung derzeit verfügbarer Solarzellen aus Perowskiten, Si, GaAs, CIGS usw. umfassen.
In Deutschland haben beispielsweise Teams des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und des Instituts für Solarforschung in Hameln (ISFH) PERC-Photovoltaikzellen („Passivated Emitter and Rear Contact“) vorgestellt. Diese Zellen sind mit einem maximalen Wirkungsgrad von 23 % die effizientesten auf dem Markt. Die deutschen Wissenschaftler sind jedoch zuversichtlich, dass die neuen PERC/POLO-Tandemzellen 29,5 % erzielen könnten.
Außerhalb von Europa haben Forscher in Saudi-Arabien einen neuartigen Solarzellentyp entwickelt. Dieser Typ bricht den Rekord für den höchsten Wirkungsgrad mit einer noch nie dagewesenen 33,7 %. Es handelt sich um eine Tandemsolarzelle, basierend auf der Kombination von Silizium und Perowskit. Während die Siliziumschicht hauptsächlich infrarotes Licht absorbiert und in Strom umwandelt, absorbiert die Perowskitschicht sichtbares Licht und ist damit effizienter als herkömmliche Zellen.
„Wir hoffen, dass unsere neue Errungenschaft dazu beitragen wird, den Wandel zu grüner Energie zu beschleunigen.“
– Erkan Aydin, Forscher an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)
Bifaziale Solarmodule
Bifaziale Solarmodule sind Photovoltaik-Solarzellen mit der Fähigkeit, Strom zu erzeugen, wenn sie von beiden Seiten bestrahlt werden. Mit anderen Worten: Bifaziale Solarmodule können das Sonnenlicht von beiden Seiten einfangen und das von Oberflächen wie Dächern oder dem Boden reflektierte Sonnenlicht effektiv nutzen (Hinweis: Sie funktionieren am bei Installation auf Bodenhöhe). Einige bifaziale Module sind in der Lage, die Energieproduktion um bis zu 30 % zu steigern. Die exakte Menge hängt von den Umweltbedingungen ab.
Quantenpunkt-Solarzellen
Wissenschaftler dringen in den Bereich der Nanotechnologie ein und nutzen Halbleiter-Nanostrukturen für die Solarenergie, wobei sie hocheffiziente Solarzellen mit komplizierten Nanostrukturen und Quantenpunkten schaffen. Eine Quantenpunkt-Solarzelle ist eine Solarzelle, die Quantenpunkte zur Absorption des photovoltaischen Materials verwendet.
Laut dem National Renewable Energy Laboratory haben Quantenpunkte das Potenzial, den Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom drastisch zu steigern (in manchen Geräten sogar zu verdoppeln). Diese Strukturen können Licht im Nanomaßstab manipulieren, was eine bessere Absorption und eine höhere Energieumwandlungseffizienz ermöglicht. Sollte die Forschung auf diesem Gebiet weiterhin voranschreiten, werden wir vielleicht Solarzellen haben, die das Sonnenlicht effektiver als je zuvor nutzen können.
Fazit
Mit neuen fortschrittlichen Technologien und verschiedenen Arten von Solarzellen erfreuen sich Solarenergie und Solarmodule immer größerer Beliebtheit. Die Entwicklung neuer Solarmodule kann nicht nur die Effizienz der Sonneneinstrahlung verbessern, sondern auch die Energiewirtschaft umgestalten. Da der Übergang zu sauberen Energiequellen auf der Welt weiterhin stattfindet, wird die Entwicklung von Solarmodulen ein Teil des Übergangs zu einer nachhaltigen und energiereichen Zukunft sein.
