Photovoltaik (PV)-Zellen, umgangssprachlich auch Solarzellen genannt, haben in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht, angetrieben durch das unermüdliche Streben nach höherer Effizienz, niedrigeren Kosten und verbesserter Haltbarkeit. Diese technologischen Durchbrüche ebnen den Weg für eine nachhaltigere und gerechtere Energiezukunft.
Die Energie der Sonne nutzen
PV-Zellen wandeln Sonnenlicht direkt in Strom um, ein Prozess, der als photovoltaischer Effekt bekannt ist. In diesen Zellen wird das Sonnenlicht von Halbleitern, in der Regel Silizium, absorbiert, die einen elektrischen Strom erzeugen, wenn Elektronen durch die absorbierten Photonen angeregt werden. Der Wirkungsgrad einer PV-Zelle ist der Prozentsatz des Sonnenlichts, der in Strom umgewandelt wird.
Herkömmliche Silizium-PV-Zellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 20%, d.h. sie wandeln 20% des von ihnen absorbierten Sonnenlichts in Strom um.[1]
Zwar können Wolken die Menge des Sonnenlichts, die auf die PV-Zellen trifft, erheblich reduzieren, doch können die Zellen auch an bewölkten Tagen Strom erzeugen – wenn auch weniger. Der Wirkungsgrad von PV-Zellen an einem bewölkten Tag liegt in der Regel zwischen 10% und 25% im Vergleich zu einem sonnigen Tag[2], was immer noch einen erheblichen Beitrag zur Gesamtenergieversorgung darstellt. Denn selbst diffuses Sonnenlicht enthält noch Photonen, die von den PV-Zellen absorbiert werden und Strom erzeugen können.
Darüber hinaus versprechen neuere Technologien, wie Perowskit-Solarzellen, eine bessere Leistung bei schwachem Licht. Perowskit-Solarzellen können selbst bei bewölktem Wetter einen Wirkungsgrad von bis zu 24%[3] erreichen und sind damit eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Silizium-PV-Zellen.
Silizium und darüber hinaus: Neuartige Materialien
Silizium ist zwar reichlich vorhanden und preiswert, hat aber seine Grenzen in Bezug auf Effizienz und Stabilität. Dies hat Forscher dazu veranlasst, alternative Materialien zu erforschen, wie das bereits erwähnten Perowskit sowie organischen Halbleiter.
Organische Halbleiter sind ein weiteres vielversprechendes Material für PV-Zellen. Sie sind leicht, flexibel und können auf verschiedene Substrate gedruckt werden. Allerdings sind ihre Wirkungsgrade derzeit niedriger als die von Silizium- und Perowskit-Zellen.
Verbesserung von Effizienz und Langlebigkeit
Neben den Fortschritten bei Materialien gibt es weitere Mittel, um die Effizienz und Haltbarkeit von PV-Zellen zu verbessern. Dazu gehören:
- Passivierende Schichten: Diese Schichten werden auf der Oberfläche der PV-Zelle aufgebracht, um die Rekombination von Ladungsträgern zu reduzieren, die der Hauptverlustmechanismus in Solarzellen ist.
- Antireflexionsbeschichtungen: Diese Beschichtungen reduzieren die Reflexion des Sonnenlichts auf der Oberfläche der Zelle, so dass mehr Licht absorbiert werden kann.
- Hocheffiziente Tandemzellen: Diese Zellen bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien, die jeweils für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts optimiert sind
- Vergrößerte Oberfläche: Dies kann durch verschiedene Techniken erreicht werden, z.B. durch die Verwendung von strukturierten Oberflächen oder die Einbindung von Nanopartikeln in die Zelle
Auswirkungen der PV-Technologie
Die Entwicklung hocheffizienter, kostengünstiger und langlebiger PV-Zellen hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die globale Energielandschaft. Solarenergie ist heute in vielen Teilen der Welt eine wettbewerbsfähige Stromquelle, und ihr Einsatz nimmt rasch zu. PV-Zellen versorgen Haushalte, Unternehmen und sogar ganze Städte mit Strom und tragen dazu bei, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Klimawandel abzuschwächen.
Da die PV-Technologie weiterhin Fortschritte macht, ist ihr Potenzial, unsere Energiesysteme zu verändern, grenzenlos. Mit weiterer Forschung und Entwicklung könnte die Solarenergie eine noch größere Rolle bei der Energieversorgung unserer Welt spielen und saubere, nachhaltige Energie für kommende Generationen liefern.
Photovoltaikzellen haben die Art und Weise, wie wir Sonnenenergie nutzen, revolutioniert und bieten eine saubere, nachhaltige und reichhaltige Energiequelle. Die kontinuierlichen Fortschritte in der PV-Technologie ebnen den Weg für eine Zukunft, in der Solarenergie das Rückgrat unserer Energiesysteme ist. Da wir weiterhin neue Materialien und Techniken erforschen, können wir noch effizientere, haltbarere und erschwinglichere PV-Zellen erwarten, die den Übergang zu einer Zukunft mit erneuerbaren Energien weiter beschleunigen.
Quellen:[1] https://www.energy.gov/eere/solar/articles/pv-cells-101-primer-solar-photovoltaic-cell[2] https://us.sunpower.com/solar-resources/do-solar-panels-work-on-cloudy-days[3] https://www.energy.gov/eere/solar/articles/pv-cells-101-part-2-solar-photovoltaic-cell-research-directions
