Technologien in der Photovoltaik

In der Photovoltaik gibt es verschiedene Technologien für die Herstellung von Solarpanels. Es sind dies die Dünnschichttechnologien: µc-si, a-si, Ci(g)s (Kupfer/Indium/Gallium), Cadmiumtellurid sowie, Monokristalline und Polykristalline – Technologien. Aufgrund verschiedener Kriterien, wie Rezyklierbarkeit des Materials, Umweltfreundlichkeit, Effizienz der Panels und der Preise. Legen wir unseren Fokus auf die Dünnschichttechnologie µc-si und die polykristalline Technologie. Die CSP Technologie (consentratet solar power) sowie die Turmkraftwerke sind weitere Solartechnologien.

µc-si-Technologie

Bei der Siliziumdünnschicht-Tandemsolarzelle werden zwei Siliziumschichten übereinander abgetragen. Die eine besteht aus amorphem Silizium (a-Si), die andere aus mikrokristallinem Silizium (μc-Si). Die beiden Schichten absorbieren ein unterschiedliches Lichtspektrum. Somit erhöht sich der Ertrag an Energie. Beide Schichten weisen jeweils eine pin-Struktur auf. Diese besteht aus einer sogenannten intrinsischen Siliziumschicht, die zwischen einer p- und einer n-leitenden Siliziumschicht liegt. Durch diesen Aufbau entsteht in der intrinsischen Schicht ein elektrisches Feld, das die photogenerierten Ladungsträger trennt. Die Stapelung der Schichten bewirkt eine Reihenschaltung.

Damit addieren sich die Spannungen der einzelnen Schichten. Im Solarmodul werden die Tandemsolarzellen durch Laserschnitte in Serie geschaltet. An der Ober-und Unterseite werden leitende Schichten abgetragen.

Produktionsprozess von µc-si- Solarzellen

Die leitende Schicht der Solarzelle besteht Zinkoxid (ZnO), als transparenter Frontkontakt, der auf Glas beschichtet wird. Es wird mittels der chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) aufgebracht. Diese Schicht bildet Pyramidenstruktur. Mittels dieser Struktur wird seitlich einfallendes und diffuses Licht optimal in die Photovoltaische Schicht gelenkt. Nach dem Aufbringen des Frontkontakts wird in einem plasmaverstärkten chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (PECVD) in mehreren Schritten die amorphe Silizium-pin-Schicht aufgebracht. Hierbei ergeben sich aus zwei unterschiedlichen Energiestufen zwei unterschiedliche Strukturen. Der mikrokristalline Teil der Tandemzelle wird vollständig mikrokristallin abgeschieden, sowohl die p- als auch die i- und n-Schicht weisen somit diese Kristallstruktur auf. Beim Rückkontakt wird derselbe Prozessschritt wie beim Frontkontakt angewendet. Um das restliche Licht zurückzuwerfen, wird auf das Zinkoxid (ZnO) weiße Farbe aufgedruckt. Danach wird eine leitende Schickt sowie eine Glasscheibe angebracht. Der Wirkungsgrad von mikrokristallinen Silizium (µc-Si) Solarzellen beträgt in Kombination mit amorphem Silizium bis 10%. Dank der Pyramidenstruktur ist die Jahresenergieproduktion, bezogen auf den Wirkungsgrad, höher als bei anderen Technologien. Die garantierte Lebensdauer einer µc-si-Solarzelle beträgt 25 Jahre. Vom physikalischen Standpunkt her, sollte das Panel 35 Jahre halten. Nach nur 1-2 Jahren Stromproduktion hat diese Solarzelle die Energie, welche für ihre Produktion nötig war, wieder erwirtschaftet.

Die µc-si-Technologie hat bei Massenproduktion eine sehr gute Kosteneffiizienz. Dank der guten Umweltverträglichkeit ist sie die präferierte Technologie der Suntainable AG.

Polykristalline Technologie

Die polykristalline Zelle ist eine Photovoltaikzelle mit polykristalliner, das heisst unregelmäßig angeordneter Vielkristall-Siliziumstruktur. Die Herstellung ist gegenüber monokristallinen Zellen kostengünstiger und der Wirkungsgrad ist 1,5 – 2 Prozentpunkte geringer. Polykristalline Zellen schillern in verschiedenen Blautönen und die Kristallstruktur ist sichtbar. Der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarmodulen beträgt bis zu 14 -15%. Produktionsprozess Polykristalliner Solarzellen:

Silicium wird in einem sehr energieaufwendigen Prozess geschmolzen und in Blöcke gegossen. Diese Blöcke werden dann in dünne Platten gesägt, sogenannte Wafer. Diese Platten werden in einem weiteren Schritt auf Module ausgelegt und gebondet, das heisst verdrahtet. Beidseitig werden die Module mit einem Metallgitter für die Leitbarkeit versehen und danach mit einer Glasscheibe abgeschlossen.

Monokristalline Technologie

Unter monokristallin versteht man das in einem besonderen Herstellungsverfahren gewonnene Silizium für die Zellproduktion. Monokristallin, weil der Siliziumblock aus einem einzigen Kristall besteht und somit eine vollständig homogene, gleichmäßige Anordnung der Atome aufweist. Die Herstellung eines monokristallinen Materials, das sogenannte Ziehen eines Einkristalls, ist ein aufwendiger und energieintensiver Prozeß, weshalb monokristallines Silizium als Ausgangsstoff für Solarzellen teurer ist als polykristallines oder amorphes Silizium. Der Wirkungsgrad von Monokristallinen Solarmodulen beträgt über etwa 18%.

Cadmiumtellurid (CdTe) Technologie

Cadmiumtellurid (CdTe) ist ein Absorbermaterial für Solarzellen. Es ist preiswerter als Silicium, aber nicht so leistungsfähig. Sein Einsatz wird durch seine Giftigkeit begrenzt. Daher verzichtet Suntainable AG auf die Cadmiumtellurid Technologie für seine Solarzellenproduktion.

CIGS-Technologie

CIGS steht für Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga), Schwefel (S) und Selen (Se₂ )und ist eine Dünnschichttechnologie für Solarzellen. Die Verwendung von Indium führt schon heute zu einer zunehmenden Verknappung und die natürliche Vorkommen werden bald vollständig erschöpft sein. Eine Massenproduktion von Solarmodulen der CIGS-Technologie ist somit nur beschränkt möglich. Daher verzichtet Suntainable AG auf diese Technologie nicht im Vordergrund.

CSP Technologie

Bei der CSP-Technologie wird auf Basis der Parabolrinnen-Technologie Sonnenlicht in Wärme umgewandelt. Das geschieht in Parabolrinnen-Kraftwerken. Mittels großer, parabolisch, das heisst bogenförmig geformter Spiegel, wird die Sonnenstrahlung gebündelt und bis zur 80-facher Konzentration verstärkt auf einen Receiver geleitet. In dem Receiver wird ein Wärmeträgeröl erhitzt, das über einen Wärmetauscher Dampf erzeugt, der wiederum herkömmliche Elektroturbinen antreibt. Thermische Speicher erlauben die zuverlässige Stromerzeugung sogar bei Nacht. Um die CSP Technologie anwenden zu können sind hohe Einstrahlungstemperaturen und direkte Sonneneinstrahlung nötig. Daher ist diese Technologie vor allem für Wüstenregionen geeignet.

Turmkraftwerke

Um einen zentralen Receiver-Turm werden gekrümmte Spiegel, sogenannte Heliostaten, angeordnet. Diese reflektieren die Sonnenstrahlen auf die Turmspitze. Die Heliostaten sind beweglich angebracht, so dass sie zur Sonne hin ausgerichtet werden können. In der Turmspitze sitzt der sogenannte Receiver. In diesem Receiver werden die Sonnenstrahlen von einem Trägermedium absorbiert und in ein Wärmekraftwerk weitergeleitet. Flüssiges Salz wird mit einer Temperatur von 290°C in die Turmspitze gepumpt, wo es auf 565°C erhitzt wird. Über Wärmetauscher wird seine Wärmeenergie dann an Wasser weitergeleitet und es entsteht Wasserdampf. Dieser Wasserdampf treibt eine Turbine an, die wiederum über einen Generator Strom erzeugt. Ein solches Turmkraftwerk erreicht Leistungsbereiche von 30 bis 400 MWel. Um die Technologie der Turmkraftwerke anwenden zu können, sind hohe Einstrahlungstemperaturen und direkte Sonneneinstrahlung nötig. Daher ist diese Technologie vor allem für Wüstenregionen geeignet.