Obwohl der Markt für Dünnschicht-Photovoltaikmodule ein unglaubliches Potenzial hat, macht er derzeit nur einen kleinen Teil des Marktes für Solarmodule aus. Dies könnte sich jedoch in naher Zukunft ändern. Einige Experten der PV-Branche gehen davon aus, dass Dünnschicht-Solarmodule in naher Zukunft einen großen Anteil am Markt einnehmen werden.
Das Cadmium Telluride Accelerator Consortium (CATC) ist eine auf 3 Jahre angelegte Initiative zur Beschleunigung der Entwicklung von CdTe-Solartechnologien. Sie zielt darauf ab, CdTe-Dünnschicht-Photovoltaikzellen effizienter und kostengünstiger zu machen und neue Märkte für Dünnschicht-Solarzellen zu schaffen.
Was sind Dünnschicht-Photovoltaikmodule?
Im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaikmodulen, die aus kristallinem Silizium bestehen, bestehen Dünnschicht-Photovoltaikmodule aus mehreren Schichten lichtabsorbierender Materialien wie amorphem Silizium, CdTe oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Diese Materialien werden auf ein Substrat, oft Glas, Metall oder Kunststoff, aufgebracht.
Forscher am MIT haben ultradünne Gewebe-Photovoltaikzellen entwickelt, die sich leicht auf jeder Oberfläche anbringen lassen und somit eine tragbare und vielseitige Energiequelle darstellen. Diese dünnen und flexiblen Photovoltaikzellen, die dünner als ein menschliches Haar sind, können in eine Vielzahl von Objekten wie Segel, Zelte und sogar Drohnenflügel integriert werden. Die Photovoltaikzellen sind hocheffizient, erzeugen 18-mal mehr Energie pro Kilogramm als herkömmliche Solarzellen und werden mit skalierbaren Druckverfahren hergestellt.
Dünnschicht-Photovoltaikmodule können leicht, flexibel und sogar transparent sein, was die Integration in eine Vielzahl von Oberflächen und Anwendungen ermöglicht. Während Dünnschicht-Solarmodule Vorteile in Bezug auf Ästhetik, Kosten und Vielseitigkeit bieten, haben sie im Allgemeinen eine geringere Energieumwandlungseffizienz als kristalline Siliziummodule.
Woraus werden Dünnschicht-Photovoltaikmodule hergestellt?
Dünnschicht-Photovoltaikmodule bestehen aus dünnen Schichten verschiedener photovoltaischer Materialien, die auf ein Substrat wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Diese Schichten sind in der Regel nur wenige Nanometer bis wenige Mikrometer dick, also viel dünner als die Wafer, die in herkömmlichen Solarmodulen verwendet werden.
Es gibt verschiedene Arten von Materialien, die in Dünnschicht-Photovoltaikmodulen verwendet werden, darunter:
Amorphes Silizium (a-Si).
Diese Photovoltaikzellen verwenden nichtkristallines Silizium als Halbleitermaterial. Sie sind flexibel, leicht und können zu geringen Kosten hergestellt werden, sind aber weniger effizient als andere Dünnschichtmodule.
Cadmium-Tellurid (CdTe).
CdTe-Photovoltaikzellen bestehen aus einer dünnen Schicht von Cadmiumtellurid-Halbleitern. Sie haben hohe Absorptionskoeffizienten und können hohe Umwandlungswirkungsgrade erzielen. CdTe-Zellen sind kosteneffektiv und werden in großem Umfang in Photovoltaik-Anlagen eingesetzt, aber Cadmium ist giftig und daher ein Problem für die Umwelt.
Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS).
CIGS-Paneele werden aus einer Kombination von Kupfer, Indium, Gallium und Selen hergestellt und können auf flexible Substrate aufgebracht werden. Dünnschicht-CIGS-Paneele bieten Vorteile wie hohe Absorptionskoeffizienten, eine bessere Leistung bei schwachem Licht und ausgezeichnete Temperaturkoeffizienten (so dass sie bei heißem Wetter gut funktionieren). Sie sind jedoch teurer als andere Dünnschicht-Photovoltaiktechnologien.
Organische Fotovoltaik (OPV).
Diese Photovoltaik-Zellen werden aus organischen Halbleitermaterialien hergestellt. OPV-Zellen sind leicht, flexibel und können mit kostengünstigen Drucktechniken hergestellt werden. Obwohl diese Zellen im Vergleich zu anderen Dünnschichttechnologien einen geringeren Wirkungsgrad haben, haben sie aufgrund ihrer Flexibilität das Potenzial, in eine Vielzahl von Anwendungen integriert zu werden, wie z.B. in die gebäudeintegrierte Fotovoltaik.
Vor- und Nachteile der aktuellen Dünnschicht-Photovoltaikmodule.
Es gibt viele verschiedene Arten von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen und ihre Vor- und Nachteile variieren etwas. Im Folgenden finden Sie einige allgemeine Vor- und Nachteile.
Vorteile von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikmodulen.
Da die Dünnschicht-Photovoltaik so viele positive Eigenschaften hat, verfügt sie über ein großes Potenzial.
- Einfacherer Herstellungsprozess für Dünnschichtmodule. Obwohl dies je nach Technologie und Substrat leicht variiert, ist die Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaik im Allgemeinen einfacher. Die Steigerung der inländischen Produktion von Dünnschicht-Photovoltaikzellen könnte sich sogar positiv auf den Weg zur Energieunabhängigkeit auswirken.
- Niedrigere Kosten. Dünnschicht-Photovoltaikzellen benötigen im Vergleich zu kristallinen Photovoltaikmodulen weniger Halbleitermaterial und sind einfacher herzustellen. Daher haben sie niedrigere Produktionskosten als kristalline Photovoltaikmodule.
- Größere Vielseitigkeit. Dünnschichtzellen können auf flexiblen Substraten hergestellt werden, was vielseitigere Anwendungen ermöglicht. Sie können in gekrümmte Oberflächen und sogar in Kleidung integriert werden, wodurch sich die Möglichkeiten der Solarenergieerzeugung erweitern.
- Ressourcenverbrauch. Konventionelle Silizium-Photovoltaikmodule benötigen mehr Ressourcen als Dünnschicht-Solarmodule. Silizium-Paneele benötigen hochreines Silizium, dessen Herstellung energieintensiv ist und komplexe Herstellungsprozesse erfordert. Dünnschicht-Solarmodule hingegen können mit weniger Material hergestellt werden, was den Bedarf an begrenzten Ressourcen reduziert.
- Leistung bei schwachem Licht. Dünnschicht-Solarzellen funktionieren in der Regel besser bei schwachem Licht, z.B. bei bewölktem Wetter oder in schattigen Bereichen. Dadurch eignen sie sich besser für Standorte mit weniger günstigen Wetterbedingungen oder im Schatten von Bäumen und Gebäuden.
- Bessere Leistung bei heißem Wetter. Fotovoltaikmodule neigen dazu, weniger Strom zu produzieren, wenn die Temperaturen über 25° C oder 77° F steigen. Allerdings sind Dünnschicht-Photovoltaikzellen im Allgemeinen nicht so anfällig für einen Rückgang der Energieproduktion bei heißem Wetter.
- Kürzere energetische Amortisationszeit. Dünnschicht-Photovoltaikmodule haben im Vergleich zu Siliziummodulen eine kürzere Amortisationszeit. Die Amortisationszeit bezieht sich auf den Zeitraum, den ein Solarmodul benötigt, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen, die bei seiner Herstellung verbraucht wurde.
Nachteile von Dünnschicht-Solarmodulen im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikmodulen.
Obwohl die Dünnschicht-Photovoltaik viele Vorteile hat, weist sie auch einige Nachteile auf. Forscher arbeiten jedoch daran, einige dieser Nachteile zu überwinden, damit Innovationen sie in Zukunft abmildern können.
- Kürzere Lebensdauer als kristalline Photovoltaikmodule. Einige Dünnschichttechnologien sind im Laufe der Zeit anfälliger für Degradation durch Licht- oder Feuchtigkeitsaufnahme. Diese Degradation kann die Effizienz verringern und die Gesamtlebensdauer um etwa 10 bis 20 Jahre verkürzen. Insbesondere OPV-Module haben eine kürzere Lebensdauer als kristalline Module und andere Dünnschichttechnologien.
- Geringerer Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen. Derzeit haben Dünnschicht-Photovoltaikzellen in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Photovoltaikmodule. Das bedeutet, dass sie weniger erneuerbare Energie aus einer bestimmten Fläche erzeugen, so dass größere Anlagen erforderlich sind, um die gleiche Menge an Sonnenenergie zu erzeugen. Dies ist besonders nachteilig, wenn der Platz begrenzt ist.
Anwendungen von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen.
Die Eigenschaften von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen eignen sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, weshalb diese Technologie ein so großes Potenzial besitzt.
Gebäudeintegrierte Fotovoltaik (BIPV).
Dünnschicht-Photovoltaikmodule können nahtlos in Baumaterialien wie Fenster, Fassaden, Dächer und sogar in flexible Oberflächen wie Vorhänge oder Markisen integriert werden. Durch diese Integration können Gebäude unter Beibehaltung der Ästhetik Strom erzeugen, was eine breitere Nutzung der Solarenergie in der Bauindustrie ermöglicht.
Tragbare und tragbare Geräte.
Die Flexibilität und Leichtigkeit von Dünnschicht-Photovoltaikzellen macht sie ideal für tragbare und tragbare Anwendungen. Sie können in Rucksäcke, Zelte, Campingausrüstungen und sogar in Kleidung eingebaut werden, um Strom zu erzeugen.
Transport.
Dünnschicht-Photovoltaikmodule können auf der Oberfläche von Fahrzeugen, einschließlich Autos, Bussen, Zügen und Fahrrädern, verwendet werden. Sie können Strom für Bordsysteme wie Klimaanlagen, Beleuchtung und Unterhaltung erzeugen und so die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern verringern und die Nutzung sauberer Energie erhöhen.
Unterhaltungselektronik.
Durch ihre dünne und flexible Beschaffenheit eignen sie sich für die Integration in Geräte der Unterhaltungselektronik wie Smartphones, Tablets, E-Book-Reader und Smartwatches. Durch die Integration von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen in das Design dieser elektronischen Geräte kann die Akkulaufzeit verlängert oder zusätzlicher Strom zum Aufladen bereitgestellt werden, wodurch der Bedarf an externen Stromquellen reduziert wird.
Landwirtschaftliche Anwendungen.
Dünnschicht-Photovoltaikmodule können Bewässerungssysteme in der Landwirtschaft betreiben und so dazu beitragen, die Abhängigkeit von umweltschädlichen fossilen Brennstoffen zu verringern. Sie können auch in Gewächshäuser integriert werden und Strom für Beleuchtung, Belüftung und andere Geräte liefern.
Dünnschicht-Photovoltaikzellen können eine Lösung für landwirtschaftliche Photovoltaikprojekte bieten, die derzeit durch herkömmliche starre Photovoltaikmodule eingeschränkt sind. Aufgrund der schwierigen Positionierung und des hohen Gewichts starrer Solarmodule müssen Landwirte, die eine agrivoltaische Lösung umsetzen, das Projekt möglicherweise ganz aufgeben. Die Dünnschicht-Photovoltaik kann solche Probleme lösen, da sie leicht, flexibel und anpassungsfähig ist und gleichzeitig größere Energie- und Wassereinsparungen sowie gesündere Ernten ermöglicht.
Militär und Verteidigung.
Da Dünnschicht-Photovoltaikzellen zur Stromversorgung von Fernüberwachungssystemen, Kommunikationsgeräten und anderen Geräten vor Ort eingesetzt werden können, haben sie potenzielle Anwendungen im Militär und in der Verteidigung. Durch ihr geringes Gewicht und ihr flexibles Design lassen sie sich leicht einsetzen und in verschiedene militärische Strukturen und Ausrüstungen integrieren.
Katastrophenhilfe in Entwicklungsländern.
Dünnschicht-Photovoltaikmodule können eine Schlüsselrolle bei der Energieversorgung in Entwicklungsländern mit begrenztem Zugang zu zuverlässiger Elektrizität spielen. Mit ihnen lassen sich kleine Photovoltaiksysteme für die Elektrifizierung von Gemeinden, die Beleuchtung und Ladestationen realisieren. Bei Naturkatastrophen können Dünnschicht-Photovoltaikpaneele schnell Schutzräume und kritische Infrastrukturen mit Strom versorgen, wenn das Stromnetz ausfällt.
Was ist besser, Dünnschicht- oder monokristalline Photovoltaikmodule?
Monokristalline Photovoltaikmodule werden aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades und ihrer kompakteren Bauweise im Allgemeinen als besser angesehen als Dünnschichtmodule. Monokristalline Paneele haben eine höhere Energieumwandlungsrate und nehmen daher weniger Platz ein, insbesondere auf kleinen Dächern. Obwohl Dünnschicht-Paneele leichter und flexibler sind, bieten monokristalline Paneele einen höheren Wirkungsgrad und werden häufiger in privaten und gewerblichen PV-Anlagen eingesetzt.
Kann ich auf Dünnschicht-Photovoltaikmodulen laufen?
Im Allgemeinen ist es keine gute Idee, auf Dünnschicht-Photovoltaikmodulen zu laufen, da sie zerbrechlicher und weniger haltbar sind als traditionelle kristalline Siliziummodule. Wenn Sie auf Dünnschicht-Paneele treten oder sie belasten, kann dies zu Schäden führen, die ihre Energieleistung beeinträchtigen und möglicherweise elektrische Probleme verursachen. Um eine lange Lebensdauer und Leistung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen zu gewährleisten, müssen Sie unbedingt die Betriebs- und Wartungsrichtlinien und -empfehlungen des Herstellers befolgen.
Dünnschicht-Photovoltaikmodule werden in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich an Marktanteil gewinnen.
Obwohl die Dünnschicht-Photovoltaikmodule derzeit nur einen kleinen Marktanteil haben, wird dieser in Zukunft wahrscheinlich steigen. Obwohl sie eine Reihe sehr attraktiver Eigenschaften hat, gibt es einige Nachteile, die die Forscher hoffentlich schnell überwinden können. Eine Verbesserung der Technologie zur Erhöhung der Effizienz und der Lebensdauer würde den weit verbreiteten Einsatz von Dünnschichtsolarzellen in vielen Anwendungen ermöglichen.