Solarenergie

• geringe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Energiemenge

• Gesamte auf die Erde einfallende Strahlungsleistung:

  • 1,78 x10^17 W -> 1,56 x10^18 kWh/a

• Weltweiter PE-Bedarf: 600 EJ

  • 1,9 x10^13 W -> 1,67 x10^14 kWh/a

Einfallende Strahlungsleistung könnte PE-Bedarf decken

• Solarthermie

  • Nutzung der Solarstrahlung zu Heizzwecken

  • Fokussierung des Sonnenlichts, Wärmezufuhr an Kreisprozess (CR, Joule) bei hohem Strahlungsangebot -> CSP (Concentrated Solar Power)

• Photovoltaik (PV)

  • Generierung von elektrischem Strom durch photoelektrischen Effekt

Energiefreisetzung:

• Die Sonne erzeugt in ihrem Inneren Energie durch Fusionsprozesse

  • Proton-Proton Reaktion

  • Fusion von 4 H-2 Atomen zu HE-4

    • 2 Wasserstoffkerne zu Deuterium, Deuterium und 1 Proton zu Triton, 2 Triton zu Helium

  • Energiefreisetzung durch Massendefekt

    • Entspricht Bindungsenergie der Nukleonen

    • Masse Atomkern ist geringer als Summe der Einzelmassen von P und N

  • 20.000.000-fache Energie wie bei Kohle

Eigenschaften:

• Wasserstoff zu 1/3 verbraucht (Sonnenalter 4,6 Mrd. Jahre)

• Temperatur im Kern: 15 Mio. K

• Temperatur an der Oberfläche: 6000 K

  • Annäherung des Spektrums mit schwarzem Strahler mit T=5780 K

• Druck: 10^16 Pa=10^11 bar

• Dichte: 160.000 kg/m^3

• Einstrahlung im Abstand r:

(Quasi konstant, Schwankung <0,1%)

• Solarkonstante: E_0=1367 W/m^2

  • Extraterrestrische Intensität (außerhalb der Atmosphäre)

• Jahreszeitliche Änderung durch des Abstands zwischen Sonne und Erde

Daher Ozon-Loch großes Problem!

• Absorption: Energie wird vollständig aufgenommen und in Wärme umgewandelt (daraus resultiert Emission)

• Emission: Abgabe von Strahlung

• Transmission: keine Wechselwirkung

• Streuung: ungerichtete Reflexion -> Diffuse Strahlung

Bilanz: Gleichgewichtszustand, d.h. einfallende Strahlungsenergie entspricht emittierter Energie

Absorption der Strahlung (Wärme )durch mehratomige Gase:

• Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert reflektierte Strahlung im IR-Bereich -> Erde gibt nicht gesamte Wärme als Strahlung wieder ab

• Problem besteht darin, das CO2 (und andere gefährlichen Treibhausgase) dort absorbieren wo Wasserdampf nicht mehr absorbiert -> weitere Temperatursteigerung!!

• geringer Anteil am allg. (natürlichen) Treibhauseffekt, jedoch durch Absorption in anderem Wellenlängenbereich hoher Anteil (57,9%) bei zusätzlichem Treibhauseffekt

• Intensitätsabschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre

  • 50% der einfallenden Strahlung erreichen die Erdoberfläche (direkt+diffus)

  • Je länger der Weg in der Atmosphäre, desto schwächer die Intensität

    • durch “Air-Mass” (AM) abgebildet

• Intensität abhängig von geographischer Lage (langer oder kurzer Weg durch die Atmosphäre)

• Abhängig von Jahreszeit + Tageszeit

  • Jahreszeitliche Schwankung durch Position im Orbit

  • weniger Sonnenstunden + flacherer Einstrahlungswinkel im Winter -> geringere Intensität

(siehe größere Abweichung im Sommer)

• Schwankungen durch:

  • Wolkenfelder (Diffusstrahlung!!)

  • Schmutz und Partikel in der Luft

• Bewölkung reduzuert Globalstrahlung -> Anteil Diffusstrahlung steigt

• Monatliche Änderung der Sonnenleistung

  • Im Winter durch Wetter geringer Anteil Direktstrahlung/ fast ausschließlich Diffus

  • Im Sommer kommt (durch häufig geringere Bedeckung, senkrechtere Einstrahlung) mehr Direktstrahlung zur Erdoberfläche durch

Nord-Süd-Gefälle

Aufteilung um den Äquator:

• Geringere Intensität genau am Äquator aufgrund der tropischen Verhältnisse

  • mehr Diffusstrahlung

• Absorption der elektromagnetischen Strahlung (d.h. kurzwelliger Solarstrahlung) an Festkörpern und Speicherung in Form von Wärme (innerer Energie)

  • Fotothermische Wandlung

• Nutzungsmöglichkeiten:

  • passive Solarnutzung

  • Solarkollektoren als Heizungsunterstützung (Niedrigtemperatursysteme)

  • Hochtemperatur Solarthermie

    • Kraftwerksprozesse

• Lichteinfall durch transparente Oberflächen (Fenster), Aufheizung der Innenräume durch Absorption an Oberflächen

  • Zeitlich nahezu parallel zur Einstrahlung

  • Direktgewinnsysteme

• Absorption der Strahlung an opaken Teilen der Gebäudehüllen, Wärmeleitung ins Gebäudeinnere

  • Zeitlich verzögert

  • Indirekte Gewinnsystem

• Kollektoren zur Heizungsunterstützung (mit Pufferspeicher)

• Max. Temp. bei ~80°C

• Höchste Verluste durch Kollektorstillstand (25%) und Wärmeabgabe an die Umgebung (23%)

• Nutzwärme für Heizung ~26%

• mit einfallender Solarstrahlung in DEU und dem geschätzten Dach- und Fassadenpotential können ~54% der Gesamtnachfrage (Trinkwarmwasser- und Prozesswärmenachfrage) gedeckt werden

• Raumwärme-, Trinkwarmwasser- und Prozesswärmenachfrage

  • ohne saisonale Speicher: zwischen 5 und 25%

  • mit saisonalen Speichern: bis zu 30%

• Aufgeteilt in Linien- und Punktkonzentrierend

• Zwischenschaltung einer weiteren Energiewandlung:

  • Wärmeenergie -> Mechanische Energie

• Nur bei hohen Temperaturen sinnvoll (Carnot Wirkungsgrad)

  • Konzentration der einfallenden Solarstrahlung

  • Definition von Konzentrationsverhältnissen:

(Aperturfläche = Öffnungsoberfläche)

• Konzentrationsverhältnisse:

  • Parabolrinnen (<100)

  • Solarturm (200 – 1000)

  • Dish-Systeme (100 – 4000)

• Flächenbedarf pro MWh/a

  • Parabolrinnen (7-8 m²)

  • Solarturm (13-15 m²)

• Klassischer Dampfprozess mit relativ niedrigen Parametern

  • Temperaturen von max. 300 – 400°C

• meist zwei Fluidkreisläufe

  • Thermoöle als Wärmeträger, d.h. zusätzlicher Wärmetauscher für Arbeitsfluid notwendig

  • direkte Dampferzeugung wird erforscht, ist aber nicht Stand der Technik

• Hoher Wasserbedarf (Reinigung der Spiegel)

  • Problem, da geeignete Standorte mit großer Strahlungsleistung (und kaum Diffusstrahlung) z.B. in Nord- und Südafrika, Australien oder Südamerika liegen -> Regionen mit wenig Wasser

• Wärmespeicher zur Verlängerung der Betriebsdauer in Zeiten geringer Einstrahlung

  • Salzschmelze als Speichermedium

  • erlaubt ca. 3-6h Vollastbetrieb

• Verluste: Hauptbestandteile

  • Kosinusverluste ~15% (gegenseitiges Verdecken)

  • Optische Verluste ~34% (unreinheiten der Spiegel etc.)

  • Thermische und mechanische Verluste im Wasser-Dampf Kreislauf ~28%

• Nutzenergie (elektr. Strom) ~16%

• Höhere Konzentrationsverhältnisse erlauben höhere Temperaturen von 1000°C und höher

  • Thermoöle eingesschränkt verwendbar (Temp. beständigkeit)

  • Joule-Prozess möglich

  • Bisher überwiegend drucklos, d.h. mit Salzschmelzen oder Luft als Wärmeträger, nachgeschaltetem Wärmeübertrager und Dampfprozess

• Hoher Wasserbedarf (Reinigung der Spiegel)

  • Problem, da geeignete Standorte mit großer Strahlungsleistung (und kaum Diffusstrahlung) z.B. in Nord- und Südafrika, Australien oder Südamerika liegen -> Regionen mit wenig Wasser

• Punktkonzentration – höhere Anforderungen

  • mehrachsige Nachführung der Spiegel

  • bei höheren Leistungen sehr große Abstände, hohe optische Verluste und hohe Abschattung

• Verluste: Hauptbestandteile

  • Kosinusverluste und sonstige optische Verluste ~51%

  • Thermische und mechanische Verluste im Wasser-Dampf Kreislauf ~21%

• Nutzenergie ~13%

• Nutzen des photoelektrischen Effekts

• Wirkungsgrade der Module ~20-22%

  • Wirkungsgradsteigerung durch Mehrschichtige Absorption für einen größeren Wellenlängenbereich (teuer)

• aufwendige, energieintensive Fertigung der Zellen

• ein KW Peak ~6m^2 Fläche

• Summe der Koeffizienten ergibt 1

• Emissionsverhalten nach dem Kirchhoffschen Gesetz

  • Gute Absorber sind auch gute Emitter -> schlechte Wirkungsgrade

• Besser wären Materialien, die im Bereich des sichtbaren Lichts eine hohe Absorption aufweisen und im IR-Bereich geringe Emissions-Koeffizienten haben -> hohe optische Selektivität

  • Kirchhoffsche Gesetzt nicht gültig

• Intrinsische Absorber

  • Wolfram, Zinkbromid

• Oberflächenstrukturierung

  • Erhöhung der Absorption durch multiple Reflexion im sichtbaren WL-Bereich, gleichzeitig hohe Reflexion im IR

  • Abdeckungen: Sichtbares Licht transmittiert, Strahlung im IR-Bereich reflektiert (V2-1, S.13)

• Tandem Absorber

  • z.B. Halbleiter/ Metall-Tandem

  • Mehrschicht-Systeme aus dünnen dielektrischen Schichten (Absorption) und semitransparenten reflektierenden Schichten

  • Metall/Dielektrikum Composites, sog. Cermets

absteigend nach Merkmalen:

• Konzentrationsverhältnis

• Absorbertemperatur

• Auffangfaktor für diffuse Strahlung

Gut zu Wissen:

• Fresnelkonzentrator (Linienkonzentrierend):

• Rohrabsorber

• Flachkollektor

• Vakuumkollektor

Röhrenabsorber:

• Sehr einfach und günstig (…schwarzer Schlauch)

• einfache Installation

• Niedriger Wirkungsgrad, da keine Isolierung vorhanden

  • hohe Wärmeverluste bei höherem Delta T

  • daher nur geeignet für Anwengungen mit kleinem Delta T, z.B. Schwimmbadheizung

• kein Winterbetrieb

Flachkollektor:

• Wärmeverluste durch Glasabdeckung und Isolation reduziert

• höhere Arbeitstemperaturen (~80°C)

  • Zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

• Sollte in Südausrichtung aufgeständert werden

• Betrieb auch in der Übergangszeit und im Winter sinnvoll

Vakuumkollektor:

• Nahezu optimale Wärmeisolation

  • Reduzierung der konvektiven Wärmeverluste (kein Medium) durch Isolation mittels Vakuum, Temperaturen bis 150°C)

• Hohe Temperaturen erreichbar, geeignet zur Heizungsunterstützung z.B. in Altbauten oder zur Bereitstellung von Prozesswärme

• Relativ teuer

• Zwei Bauarten: koaxial und U-Rohr

• Heat Pipe: trockene Anbindung der Kollektoren durch getrennte Kreisläufe

  • Arbeitsfluid verdampft im Kollektor, Dampf steigt zum Wärmetauscher auf und kondensiert dort -> Aufheizung des Wärmeträgerfluids

Naturumlauf - Thermosiphon

• Arbeitet aufgrund des Dicheunterschiedes

  • Keine Pumpe notwendig, stromlos, wartungsfrei

• Volumenstrom durch die Anlage wird bestimmt durch

  • Höhendifferenz zw. Speicher und Kollektoraustritt

  • Temperaturdifferenz Eintritt-Austritt

  • Hydrodyn. Widerstand der Anlage

• Naturumlaufanlagen sind selbstregelnd, da Auftrieb und Widerstand im GG stehen

  • Träges System

Zwangsumlaufsystem

• Bessere Dynamik durch integrierte Pumpe

• Volumenstrom und Temperaturdifferenz regelbar

  • Weniger träges System

• Weniger Platzbedarf

• Speicher und Absorber können getrennt stehen

• Benötigt Strom

Phase 1:

• Die Stagnation beginnt mit Abschalten der Pumpe

Phase 2:

• Nach ca. 10min erreicht der Kollektor die Siedetemperatur und Produziert Dampf

Phase 3:

• Nach weiteren 30min hat sich der Dampf weitesgehend ausgedehnt

Phase 4:

• Bis zum Abklingen der Einstrahlung hat der Kollektor Stagnationstemperatur

Phase 5:

• Mit abnehmender Einstrahlung fällt die Temperatur und der Dampf kondensiert

• Pumpe schaltet sich ab -> Strahlung bleibt

• Kreislauf erhitzt sich und Wasser verdampft -> Druck und T steigen

• Kein Zirkulieren mehr möglich, erst nach Einstrahlungsende wenn Sytem abkühlt und Wasser Kondensiert

• Speicherzahl: Einspeicher-/ Mehrspeichersysteme

  • Pufferspeichersysteme zur Entkopplung von Wärmeangebot und -nachfrage (klassisch)

• Systemgröße: Abhängig von solarem Deckungsgrad (etaD=QSolar/Q_Heiz)

• Trink- oder Heizwasserzuführung

  • Heizwasserführung: weiterer Wärmetauscher notwendig

• Einbindung der Nachheizung

Klassisches System mit Pufferspeicher:

• Hohe Konzentration der einfallenden Strahlung ermöglicht hohe Temperaturen bis zu 1200°C

  • Kraftwerksprozesse möglich

• Steigerung des Konzentrationsverhältnisses bedingt aber deutlich erhöhten Aufwand für die Nachführung des Systems

• Außerdem hohe optische Qualität der Reflektoren notwendig

• Konzentration erfolgt üblicherweise mit Parabolkonzentratoren, Fresnel-Systemen oder Spiegeln (Heliostaten)

DSG Konzepte:

• keine Langzeitspeicher, nur mittelfristig

  • Im Winter (d.h. bei reduzierter Einstrahlung) ist trotz Speicher nur Betrieb bei reduzierter Leistung möglich

• Sichern hauptsächlich weitere Volllaststunden im Tagesbetrieb

• Sensitive Wärme (fühlbare Wärme)

  • mit Temperaturerhöhung verbunden

• Latente Wärme

  • Mit Phasenübergang verbunden, also Schmelzen, Verdampfen oder Umkristallisation

  • konstante Temperatur (bei gegebenem Druck)

• Reaktionswärme

  • chemische Reaktion, Dissoziation oder Adsorption

Flüssige Speichermedien

• Salzschmelze

  • Hohe Wärmeleitfähigkeit, breites Temperaturband

  • Thermische Stabilität begrenzt oberer Temp.

  • Hohe Schmelztemperatur bedeutet hohen Energieaufwand zur Inbetriebnahme und Gefahr der Erstarrung bei Auskühlung

• Thermoöle

  • Speichermedium der ersten Stunde

  • Zersetzen sich bei hohen Temperaturen -> Begrenzt Nutzungsdauer

  • Bei höheren Temperaturen steigen auch die notwendigen Drücke

• Metalle (Natrium, Blei)

  • hohe Schmelztemperaturen (Na: 98°C, Pb: 328°C)

  • Sicherheits- und Umweltaspekte

    • Natrium reagiert heftig mit Luft und Wasser

    • Blei ist giftig

Feste Speichermedien

• Hohe thermische Langzeitstabilität

• Geringe thermische Ausdehnung

• In Hamburg: Vulkangesteinspeicher mit 130 MWh Kapazität und bis zu 800°C

Latentwärmespeicher

• Vorteil: Aufnahme von großen Wärmemengen bei konstanter Temperatur

• Reversibler Prozess -> Verlustfrei

• Temperatur ändert sich auch bei langer Ausspeicherung nicht (bis der Phasenwechsel abgeschlossen ist)

• Meist mit Salzen oder Paraffinen

• Auch für Niedertemperaturanwendungen geeignet, allerdings relativ teuer

• Rohrabsorber:

  • Vergleichbar zu Wasserrohrkessel

  • Erlaubt Druckbeaufschlagung des Wärmeträgerfluids

  • relativ wenig Fläche, schlechtere Absorption

  • hohe Materialbeanspruchung, schlechter Wärmeübergang

• volumetrische Absorber

  • Wärmeaufnahme durch poröses Material

  • hohe Oberfläche, sehr gute Absorption und hoher Wärmeübergang

  • großes Volumen unter Druck, Glasabdeckung muss Temperatur und Druck standhalten!

• elektrische Leitfähigkeit verschwindet bei T -> 0 K, nimmt mit zunehmender Temperatur zu

• Bei Umgebungstemperatur liegt die Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und Isolatoren

• Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper

• Weltweit wichtigster Halbleiter: kristallines Silizium

  • Besitzt 4 Außenelektronen (sog. Valenzelektronen)

  • Kristallines Si hat eine streng regelmäßige Struktur, Valenzelektronen gehen jeweils Bindung mit Nachbar-Atomen ein, Atomabstände in alle Richtungen konstant

  • Wird als Diamantgitter bezeichnet

Leitungsband

• Damit ein Werkstoff elektrisch leitend wird, müssen freie Ladungsträger vorliegen (nicht an Atomkerne gebunden)

• Valenzbindung muss aufgebrochen werden -> Anhebung des Energieniveaus der Elektronen

  • Durch thermische Energie

  • Durch Strahlung

• Offene Valenzbindungen bleiben zurück

  • „Löcher“

  • Positive Ladungsträger

Bandabstand

• Zwischen Valenz- und Leitungsband liegen Bereiche, deren Energiezustände nicht von Elektronen angenommen werden können

• Exkurs: Bei elektr. Leitern (Metalle) überlappen sich die Bänder, bei Isolatoren sind sie so groß, dass sie quasi nicht zu überwinden sind

(Typischer Bandabstand bei Halbleitern liegt bei delta_E=0,2 – 2 eV)

Photoeffekt

• Bei Auftreffen eines Photons wird die Energie und der Impuls des Photons vollständig übertragen

• Photonenenergie ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts

• Silizium: Bandabstand beträgt 1,124 eV, daraus lässt sich die Grenzwellenlänge berechnen, bis zu welcher die Photonen-Energie ausreicht, um einen Ladungsträger zu erzeugen

• Die Dicke von Solarzellen wird von dem Absorptionskoeffizienten bestimmt

  • Wellenlänge ist antiproportional zum Absorptionskoeffizienten

Es können parallel zur Erzeugung von Ladungsträgern (Ladung trennen) Rekombinationsprozesse stattfinden

• Auger-Rekombination: Zurückfallen des Ladungsträgers Umwandlung der Energie in Wärme

• Strahlende Rekombination: Umkehrung der Ladungsträgergeneration durch optische Anregung

• Störstellen- und Oberflächenrekombination: freier Ladungsträger wird von nicht besetztem Energieniveau einer Störstelle eingefangen und rekombiniert mit anderem freien Ladungsträger

Dotierung:

• Einbringen von Fremdatomen in Gitterstrukturen

• Phosphor-Atome (5 Valenzelektronen) -> 1 Elektron im Valenzband nicht für Bindung im Si-Gitter benötigt

  • wird durch relativ geringe Energiezufuhr verfügbar

  • Überschuss an negativen Ladungsträgern: n-Halbleiter

• Bor-Atome (3 Valenzelektronen) -> 4. Bindung im Si-Gitter kommt nicht zustande, weiteres Elektron kann aufgenommen werden („Loch“)

  • Überschuss an positiven Ladungsträgern: p-Halbleiter

• Dotierungsatome bleiben fest im Gitter

• Für Valenzbindung nicht benötigte Ladungsträger (freie Ladung) haben deutlich höheres Energieniveau

• Energieniveau kann in der Verbotenen Zone liegen -> Verkleinert nötige Energiezufuhr zur Anhebung in Leitungsband, thermische Anregung bei Raumtemperatur ausreichend

• Zusammenfügen eines p- und eines n-Halbleiters erzeugt Ausgleichsvorgänge im Bereich der Dotierungsgrenze

• Diffusionsströme von Elektronen aus dem n- in das p-Gebiet und von Löchern aus dem p- in das n-Gebiet

• Zurück bleiben die fest in das Kristallgitter eingebauten ionisierten Dotierungsatome

  • Bildung einer Raumladungszone (verhindert Rekombination)

    • im n-Gebiet positiv und im p-Gebiet negativ geladen

• Bei Beleuchtung entstehen Elektronen-Loch-Paare

• Ladungsträger werden durch elektrisches Feld getrennt

  • Elektronen werden in Richtung des n-Gebiets, Löcher in Richtung des p-Gebiets beschleunigt

  • Aufbau einer Spannung durch Ladungstrennung

Wirkungsgrad wird zunächst vor allem durch Prozesse bei der Absorption beeinflusst:

• (a) Photonen mit zu geringer Energie führen nicht zu Ladungstrennung

  • Bei Silizium ca. 35 % Verlust der im Spektrum enthaltenen Energie

• (b) Photonenenergie, die größer als die Bandlücke ist, wird nicht genutzt

  • Weitere 31% ungenutzter Energie

  • Überschussenergie wird in Wärme umgewandelt

• (c) Strahlende Rekombination: Elektronen/ Lochpaar wird nicht am pn-Übergang getrennt, rekombieniert wieder unter Aussendung eines Photons

• eta_max für Siliziumzellen liegt bei 34% der einfallenden Solarstrahlung (AM0)

Weitere Verlustmechanismen:

• Nicht strahlende Rekombinationsprozesse

  • Auger-Rekombination, Störstellen- und Oberflächenrekombination

• Optische Verluste

  • Anteil des Lichts wird reflektiert, anstatt absorbiert

  • Anteil des Lichts wird in Schutz-/ Antireflexschichten über Solarzelle absorbiert

• Elektrische Verluste

  • Leitungswiderstände im Zellmaterial, an Kontakten, Leiterbahnen und der seriellen Verschaltung von Zellen zu Modulen

Mehrfachzelle:

• versch. Materialien übereinander Absorbieren Licht in versch. Wellenlängenbereichen

  • Tandem- bzw. Triplezellen mittlerweile Standart

  • 4-fach und 5-fach Zellen in Entwicklung

• Aufwendige Herstellung, daher meist in Kombination mit Konzentrator

• Wirkungsgrade von Mehrfach-Konzentrator-Zellen liegen bei >40%

• Silizium wird aus Quarz und Sand hergestellt

  • liegt in Form von SiO2 vor

• Entfernung von Sauerstoff durch chemische Reduktion

  • Aufschmelzen des SiO2 (T > 1414°C)

  • Reduktion durch Kohlenstoff oder Wasserstoff

• Anschließend Reinigung des Rohsiliziums

  • Mahlen und Umsetzen in Trichlorsilan mithilfe von HCl bei 300-500°C

  • Destillation des Trichlorsilans

  • Reaktion mit Wasserstoff bei ca. 1200°C

  • Reinheit des entstehenden Siliziums: 99,99999%

• Polykristalline Zellen: Gießen des Si zu Barren

  • Billiger, jedoch geringerer Wirkungsgrad da es an den Korngrenzen vermehrt zu Rekombination kommen kann

• Monokristalline Zellen: Czochralsky-Verfahren (Kristallisation zu Einkristall)

  • Aufwendige, teure Herstellung, jedoch hoher Wirkungsgrad da Ladungsträger sich freier Bewegen können

• anschließend Sägen der Ingots in Wafer mit ca. 150µm Dicke

• Dotierung der Wafer, Aufdrucken von Leitungsbahnen

Organische Solarzelle:

• Bestehen nicht aus kristallinem Material, sondern aus Kunststoffen (Kohlenwasserstoffen)

  • Grundsätzlich gleiches Funktionsprinzip

• Vorteile:

  • Herstellung wesentlich weniger energieintensiv

  • Flexibles Material – vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

• Nachteile:

  • Geringe Wirkungsgrade: ~10-17%

  • Langzeitstabilität ist nicht ausreichend, da Material durch UV-Strahlung zersetzt wird

Perowskit-Solarzellen:

• Hybridzellen (Organisch/ Anorganisch)

• Durch Einstrahlung lösen sich Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand, gleichzeitig bleiben positiv geladene Fehlstellen zurück

• die Elektronen und „Löcher“ werden an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt

  • Ladungstrennung durch selektive Ladungsträgerschichten (Membranen)

• Vorteile:

  • soll in der Lage sein, die obere Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen (~34%)

  • einfach in der Herstellung und Verarbeitung

    • in flüssiger Form/ bei niedrigen Temp. auf geeigentes Substrat auftragen

• Nachteile:

  • Stabilitätsprobleme durch Tendenz, ungeordnet und mit einer hohen Anzahl von Defekten zu wachsen

  • wasserlöslich und damit sehr feuchtigkeitsempfindlich und instabil -> muss gekapselt werden

Dünnschicht-Solarzelle:

• Halbleiter wird durch Prozesse wie PVD (Physical Vapor Deposition), Sputtern oder CVD (Chemical Vapor Deposition) auf ein Substrat aufgebracht

• Derart aufgebrachte Schichten zeigen wesentlich bessere Absorptionseigenschaften

  • Sehr dünne Schichten von 1-5 µm ausreichend

  • Flexible Solarzellen, können überall aufgebracht werden

• Günstiger, da einfacheres Fertigungsverfahren, allerdings auch schlechterer Wirkungsgrad

Konzentrator-Zellen:

• Fokussierung des Lichts mittels Linsen ermöglicht höheren Wirkungsgrad, da Stromerzeugung in Halbleitern abhängig von einfallender Lichtintensität ist

  • Konzentrationsfaktor bis zu 1000

  • Muss gekühlt werden

  • Nachführung notwendig

• Meist in Kombination mit Mehrfach-Solarzellen

Farbstoffsolarzellen/ Grätzel-Zellen:

• Zur Absorption werden organische Farbstoffe verwendet, keine Halbleiter

• Aufbau: 2 Elektronen in geringem Abstand (wenige µm), eine Elektrode ist mit Ti02 und Farbstoff beschichtet

  • Farbstoff: Lichtabsorption

  • TiO2: Elektronenleitung

• Vorteile:

  • geringe Umweltbelastung

  • günstige Fertigung

• Nachteile:

  • Geringe Wirkungsgrade (<10%)

  • unzureichende Langzeitstabilität der Farbstoffe

• Üblicherweise in Reihenschaltung um hohe Spannungen zu generieren

• Gesamtleistung der Zellen unabhängig von Schaltung

• Photovoltaikgenerator

  • Module

  • Verkabelung

  • Unterkonstruktion/ Dachkonstruktion

• Wechselrichter

  • Bindeglied zum Netz

• Kostenstruktur:

  • ~1500€/kW_Peak

  • Speicher verdoppelt Kosten