Photovoltaische Zellen und Potenziale der Photovoltaik

Photovoltaische Zellen

Photovoltaische Zellen lassen sich nach den eingesetzten Zellmaterialien und Technologien unterscheiden.

Unterteilung nach Zellmaterial

Silizium Zellen

Silizium Zellen können in zwei große Gruppen eingeteilt werden. Monokristallinen Zellen und Polykristallinen Zellen.

1. Monokristalline Zellen

Monokristalline Zellen werden aus Wafern hergestellt, die aus einem Siliziumkristall herausgeschnitten werden. Deshalb haben diese Zellen auch eine einfarbige Oberfläche. Die Produktion ist deshalb zwar etwas teurer als bei polykristallinen Zellen, doch weisen die Zellen typischerweise höhere Wirkungsgrade auf. Monokristalline Zellen haben unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade von über 26%. Die Monokristallinen Zellen werden aufgrund von geringer werdenden Kosten und der höheren Effizienzen immer häufiger eingesetzt.

2. Polykristalline Zellen

Polykristalline Zellen bestehen aus einer Vielzahl von Siliziumkristalle, die sich frei bei der Produktion gebildet haben. Die Module sind durch die einfachere Produktion zwar günstiger als die monokristallinen Module, haben jedoch auch einen geringeren Wirkungsgrad. Mittlerweile erreichen polykristalline Module im Labor einen Wirkungsgrad von über 23%. Aufgrund der geringeren Kosten dominierte diese Zelle den Photovoltaikmarkt für viele Jahre.

Bild3 | Photovoltaik Österreich
Quelle 1

Dünnschicht Zellen

Dünnschichtzellen gibt es in einer Vielzahl an Ausführungen. Sie unterscheiden sich je nach Substrat und aufgedampften Materialen. Die Bandbreite an Eigenschaften und Wirkungsgraden ist demensprechend groß.

Dünnschichtzellen unterscheiden sich von traditionellen Siliziumzellen vor allem durch ihre Schichtdicken. Bei Dünnschichtzellen wird das reaktive Material auf das Trägermaterial (Glas, Kunststoffe, Metallbleche, etc.) direkt aufgedampft. Dadurch sind Dünnschichtzellen etwa 100-mal dünner als traditionelle Zellen.

Die gängigste Dünnschichtzelle ist die amorphe Silizium- (auf Glas) Zelle. Andere Materialien, die für die Dünnschichtzellen eingesetzt werden, sind mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, oder Kupfer-Indium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIGS-Zelle).

Dünnschichtzellen haben Wirkungsgrade im Bereich von 14 % bis 23 %. Der große Vorteil dieser Zellen ist jedoch der sehr breite Einsatzbereich, von aufrollbaren Flächen auf Rucksäcken bis hin zu Großflächenanlagen.

Bild5 | Photovoltaik Österreich
Quelle 2
DasEnergy Panel 01 | Photovoltaik Österreich
Quelle 3

Organische Zellen

Organische Zellen bestehen aus organischem Material, d.h. Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Diese Zellen haben im Moment einen Wirkungsgrad von 17%. Dieser ist zwar geringer als jene von traditionelle Siliziumzellen, aber die Technologie zeichnet sich hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren und durch ihre hohe Flexibilität aus.

Fraunhofer.OrganischePVRekord | Photovoltaik Österreich
Quelle 4

Farbstoffzellen

Farbstoffzellen, auch als Grätzel-Zellen bekannt, wandeln die Sonnenenergie über die Lichtabsorption eines Farbstoffes um. Dabei kommen Materialen wie zum Beispiel Titandioxid und Ruthenium zum Einsatz. Diese Zellen bieten Wirkungsgrade von über 10 %, haben jedoch aufgrund der aggressiven Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer. Die Vorteile liegen bei den geringen Ertragseinbußen bei schwachem Licht. 
Bild6 | Photovoltaik Österreich
Quelle 5

Mehrfachsolarzellen

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehreren verschiedenen Solarzelltypen. Diese Typen werden dabei übereinander angeordnet. Der spezielle Aufbau sorgt dafür, dass ein breites Spektrum des eingestrahlten Lichts energetisch genutzt werden kann. Es gibt bereits Zellen, die über 47 % Wirkungsgrad erreichen. Der Nachteil dabei ist, dass diese Zellen sehr teuer in der Herstellung sind.
ISE 3130 triple junction solar cell | Photovoltaik Österreich
Quelle 4

Unterteilung nach Zellaufbau

 Gleich wie bei der Materialentwicklung hat sich auch der Aufbau der Zelle über die Jahre verändert.

Die konventionelle-solarzelle

Die aktuell am häufig eingesetzte Solarzelle hat folgenden Aufbau:

Dieser Zelltyp besteht von oben nach unten, aus:

  • Siebdruck aus Silberpaste
  • Antireflexschicht
  • Phosphor und Bor dotierten Wafern
  • Rückseitenoberfläche
  • Siebdruck aus Aluminiumpaste

Standard solar cell
Standard Solar Cell 1 | Photovoltaik Österreich
Quelle 6

PERC-Zelle

In den letzten Jahren konnte sich die PERC-Zelle („Passive Emitter and Rear Cell“) am Markt immer mehr durchsetzen. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Zelltyp in Zukunft der neue Standard wird.

Die PERC-Zelle ist eine Weiterentwicklung der Standardzelle und punktet mit einem höheren Wirkungsgrad. 
Bei der PERC Zelle wird der Kontakt der Basis mit der Aluminium-Schicht minimiert. Zwischen den Kontakten werden zwei diaelektrische Schichten eingefügt die die Einstrahlung, die im ersten Schritt nicht von der Zelle aufgenommen wurde, wieder zurück reflektiert. Durch die Reflexion kann mehr Strahlung in der Zelle verwertet werden und ein höherer Wirkungsgrad ist dadurch möglich.

PERC
PERC 2 | Photovoltaik Österreich
Quelle 6

Hererojunction-Zelle

Neben der PERC Zelle gewinnt die Heterojunction-Zelle immer größere Marktanteile.

Heterojunktion-Zellen (HJT/HIT-Zellen) enthalten neben der kristallinen Siliziumschicht mehrere Schichten, die eher den Dünnschichtmodulen zuzuordnen sind. Dabei wird die kristalline Siliziumschicht von beiden Seiten von einer amorphen Siliziumschicht umhüllt. 

Die Vorteile beider Schichten können damit genutzt werden. Das gute Schwachlichtverhalten der Dünnschichtzelle wird mit der hohen Effizienz der kristallinen Zelle verbunden. Diese Zellen erreichen Wirkungsgrade über 26%

HIT/HJT cell
Bild4 | Photovoltaik Österreich
Quelle 7

Potenziale der Photovoltaik

Jedes Jahr trifft 10.000-mal mehr Energie, in Form von Strahlungsenergie, auf unserer Erde auf, als die Menschheit in einem Jahr benötigt (Primärenergiebedarf). Das Potenzial der Nutzung der Sonnenenergie ist somit enorm und den Anwendungsmöglichkeiten sind beinahe keine Grenzen gesetzt.

Es ist jedoch wichtig von welchem Potenzial in Bezug zur PV gesprochen wird. Man unterscheidet folgende PV-Potenziale:

  • Theoretisches PV-Potenzial: Dieses Potenzial berücksichtigt das physikalische Angebot an Sonnenenergie ohne Einschränkungen. Es wird jedoch der maximale physikalische Wirkungsgrad von PV-Systemen berücksichtigt.
  • Technisches PV-Potenzial: Beim technischen Potenzial werden nicht nutzbare Flächen abgezogen und die Modulwirkungsgrade für die Berechnung verwendet. Dieses Potenzial kann sich somit durch Gesetzesänderungen, technologische Weiterentwicklungen, mit dem Erschließen neuer Flächen, etc. ändern.
  • Wirtschaftliches PV-Potenzial: Vom technischen Potenzial werden alle nicht wirtschaftlichen Potenziale abgezogen um das wirtschaftliche PV-Potenzial zu erhalten. Dieses Potenzial ändert sich mit schwankenden PV-Systempreisen, mit den Systempreisen konkurrierender Systeme oder neuen Anforderungen an die Technologie.
  • Realisierbares PV-Potenzial: Beim realisierbaren Potenzial wird das wirtschaftliche Potenzial auf dessen Machbarkeit bis zu einem bestimmten Zeitpunkt analysiert. Wieviel des wirtschaftlichen Potenzials kann in einer bestimmten Zeit und unter der Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz umgesetzt werden? Dieses Potenzial ist daher u.a. von der gesellschaftlichen Nachfrage geprägt.
 

PV-Potenzial in Österreich

Eine Studie aus dem Jahr 2020 zur „Ermittlung des Flächenpotenzials für den Photovoltaik-Ausbau in Österreich“ ermittelt folgende Photovoltaik Potenziale für Österreich, aufgegliedert in unterschiedliche Flächen die zur Verfügung stehen:

Gebäude

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Deponien

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Verkehrssektor

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Militärsektor

________________________________________________________________________________________________________________________________

Freifläche

Theoretisches Potenzial (TWh)

 

18,6

 

k. A.

 

k. A.

 

3

 

> 100

Technisches Potenzial  (TWh)

 

13,4

 

1,2

 

4,5

 

0

 

28-32

Wirtsch. / Ökologisch / Sozial realisierbares Potenzial bis 2030 (TWh)

 

4,0

 

0,3

 

1

 

0

 

?

 

PV-Potenziale Zusammenfassung    

Quelle 8    

Berechnen Sie Ihr PV-Potenzial

Jede Person, jedes Unternehmen, die ein Gebäude, ein Stück Land oder auch nur einen Balkon besitzt, hat das Potenzial, Strom aus Photovoltaik zu erzeugen.

Ein Quadratmeter PV, am Dach (nach Süden ausgerichtet und 30° Aufständerung), kann etwa Strom im Ausmaß von 200 kWh im Jahr erzeugen. Mit dieser Herleitung kann jeder Dachbesitzer schnell das eigene Potenzial ermitteln. Aber Achtung: Nicht das gesamte Dach kann energetisch genutzt werden, da es Abstände zwischen den Modulen und Sicherheitsabstände zu Dachrändern und anderen herausragenden Dachbauteilen braucht. 

Ein nach Süden ausgerichteter Quadratmeter PV in der Fassade erzeugt in etwa 140 kWh pro Jahr.

Ein Quadratmeter auf der ebenen Fläche (zum Beispiel einer Freifläche, oder einem Flachdach) hat ein Potential von etwa 100-120 kWh Strom pro Quadratmeter und Jahr. Hier ist die Aufständerung und der Reihenabstand bereits mit eingerechnet.

Neben der Erzeugung am Dach, in der Fassade oder auf der Freifläche gibt es eine Vielzahl von anderen Anwendungen wie Strom erzeugt werden kann. Von innovativen Anwendungen wie Schwimmende-PV, oder Überbauungen von versiegelten Flächen bis hin zu Balkonmodulen, Bauwerksintegrierten Modulen oder Geräteintegrierten Modulen, wie zum Beispiel bei Autos oder Powerbanks. Mehr dazu finden Sie hier.

Quellenangaben:

  1. https://www.brenner-energie.de/aktuelles-artikel/monokristallin-vs-polykristallin-eine-frage-des-geschmacks
  2. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bc/TI-30XPlus_3.jpg
  3. https://das-energy.com/de/produkte/anwendungen
  4. Fraunhofer ISE
  5. https://elife.vattenfall.de/trend/solarzelle-entwicklung-photovoltaik-aufbau-funktion/
  6. Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH)
  7. https://www.researchgate.net/publication/261391964_Amorphous_silicon_oxide_window_layers_for_high-efficiency_silicon_heterojunction_solar_cells
  8. Ermittlung des Flächenpotenzials für den Photovoltaik-Ausbau in Österreich, Fechner, 2020