Die Vermessung der PV-Welt

Solar-Materialien: Aktuelle Effizienz und künftige Herausforderungen

Science logoEntwicklung und Bereitstellung von PV-Großanlagen haben sich in den vergangenen Jahren beispiellos beschleunigt. Da deren Kosten nur zum Teil durch die Kosten der Solarzellen bestimmt werden, ist Effizienz ein Schlüsselfaktor für die Kostenverringerung der Solarenergie. PV auf Dach des Tagungs-Saals - Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft 20150914_183248Mehrere Materialien und Systeme werden derzeit erforscht um hohe Effizienz bei geringen Kosten zu erreichen. Polman et al. untersuchen in ihrem Artikel “Surveying the solar cell landscape“, der jetzt in Science erschien, umfassend und systematisch die führenden in Frage kommenden Stoffe, stellen die Grenzen einzelner Systeme vor und analysieren, wie diese Einschränkungen überwunden und die Gesamtzellleistung  verbessert werden können.

Aus der Zusammenfassung

Der Shockley-Queisser-Grenze (S-Q) folgend beträgt die Effizienz der Energieumwandlung  einer Single-Junction-Solarzelle maximal 33,7%, bei einer optimalen Halbleiterbandlücke von 1,34 eV. Parallel zur Entwicklung der waferbasierten Silizium-Solarzellen wurden in den vergangenen Jahrzehnten viele Dünnschicht-Materialien mit dem Ziel entwickelt, sich der S-Q-Grenze zu nähern. Diese Stoffe können in relativ kleinen Mengen, billig und in flexiblen Geometrien angewendet werden.PV und Windgeneratoren in Deutschland - Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft

“Wir”, so die Autoren, “überprüften die elektrischen Charakteristika von 16 aus weitgehend erforschtem PV-Material hergestellen und mit einem Standard-AM1.5-Sonnenspektrum bestrahlten Zellen mit Rekord-Wirkungsgraden, und verglichen sie mit den grundsätzlichen auf dem S-Q-Modell basierenden Begrenzungen. Die Zellen, die einen niedrigeren Kurzschlussstrom (Jsc) als die S-Q-Grenze zeigten, litten an unvollständiger Lichtabsorption oder unvollständiger Sammlung von erzeugten Ladungsträgern, während reduzierte Leerlaufspannungen (Voc) oder Füllfaktoren (FF) unerwünschte Massen- oder Grenzflächen-Ladungsträger-Rekombination, parasitären Widerstand oder andere nicht-ideal elektrische Gegebenheiten reflektierten.”

[note Begrenzende Prozesse von PV-Materialien - Grafik © Science AAASEine effiziente Solarzelle  erfasst und fängt alles einfallende Licht (“Lichtmanagement”) ein; sie wandelt es in elektrische Ladungsträger um, die effizient gesammelt (“Carrier-Management”) werden. Das Diagramm zeigt den Kurzschlussstrom und das Produkt aus Leerlaufspannung und Füll-Faktor in Bezug auf die maximal erreichbaren Werte auf Basis der Shockley-Queisser-Grenze für die effizienteste Solarzelle aus jedem PV-Material. Die Daten zeigen an, ob ein bestimmtes Material besseres Lichtmanagement, besseres Carrier-Management oder beides erfordert. Die Graphik ermöglicht eine direkte Identifizierung jedes Materials in Bezug auf nicht optimiertes Lichtmanagement und Trägersammlung (Jsc : JSQ <1) oder Trägerverwaltung (Voc × FF : VSQ × FFSQ <1).Die Farben entsprechen den von den Zellen erreichten S-Q-Effizienzgrenzen ?SQ: <50% (rot), 50 bis 75% (grün) oder >75% (blau).]

  • Dünnschichtsolarzelle - Bild © AvancisMonokristalline Si-Zellen (Rekordwirkungsgrad 25,6%) haben nahezu vollständigen Lichteinfang und Träger Sammlung erreicht und werden meist von Verlusten aus verbleibender Trägerrekombinationszeit  begrenzt.
  • Im Gegensatz dazu zeigen monokristalline Dünnschicht-GaAs-Zellen (28,8%) nur minimale Rekombinationsverluste, können aber durch Lichtmanagement verbessert werden.
  • Polykristalline CdTe-Dünnschichtzellen (21,5%) bieten hervorragende Lichtabsorption, aber relativ hohe Rekombinationsverluste;
  • Perowskit-Zellen (21,0%) und Cu(In,Ga)(Se,S) 2 (CIGS) Zellen (21,7%) schlechteres Lichtmanagement, obwohl CIGS höhere elektrische Qualität anzeigt.

Abgesehen von diesen fünf Materialien (Si, GaAs, CdTe, CIGS, Perowskit) mit einem Wirkungsgrad von >20% wurde eine breite Palette von anderen Dünnschichtmaterialien mit einem Wirkungsgrad von 10 bis 12% entwickelt: Mikro-/nanokristallin und amorph Si,Cu(Zn,Sn)(Se,S)2 (CZTS), farbstoffsensibilisiertes TiO2, organische Polymermaterialien und Quantenpunkt-Feststoffe. Bisher leiden alle Zelldesigns auf der Basis dieser Materialien jedoch sowohl unter Licht- als auch Leitungs-Managementproblemen. Organische und Quantenpunktsolarzellen haben in den vergangenen Jahren erhebliche Effizienzverbesserungen gezeigt.

Ausblick

Konzentrator-PV-Zelle (CPV) - Foto © Gerhard Hofmann_Agentur ZukunftDie mono-kristallinen Materialien (Si, GaAs) mit Rekord-Wirkungsgraden bieten Raum für Effizienzsteigerungen um einige Prozentpunkte. Die Zukunft wird zeigen, ob die hocheffizienten polykristallinen Dünnschichzellten (CdTe, CIGS, Perowskit) mit den Wirkungsgraden von Si und GaAs mithalten können. Da die Kosten für PV-Anlagen nur teilweise von den Kosten der Solarzellen bestimmt werden, ist die Effizienz ein Schlüsselfaktor, um die Kosten der Sonnenenergie zu verringern. Damit erfordern großflächige PV-Systeme hohe Wirkungsgrade (>20%) und niedrig-preisige Solarzellen. Materialien mit geringeren Wirkungsgraden (flexible Materialien) können Anwendung in gebäudeintegrierten PV-Systemen, in flexibler Elektronik, flexiblen Energieerzeugungssystemen finden. Hocheffizienz (>20%) Materialien finden Anwendung in großflächiger PV-Stromerzeugung für das Versorgungsnetz als auch in kleinen und mittleren Anlagen für Gebäude. Sie ermöglicht sehr große Eindringtiefe in unser Energiesystem, gegenwärtig beginnend und weiter wachsend, da die Kosten pro Kilowattstunde weiter sinken werden, um einen Faktor von 2 bis 3. Dies kann durch nanophotonische Zellenkonstruktionen erreicht werden, verbessert mit optisch resonanten und nichtresonanten Strukturen und in die Solarzellenarchitektur integrierter Lichtkopplung und Trapping, in Kombination mit fortentwickelter Werkstofftechnik zu weiter zu optimieren Zellspannung. Große Schritte nach vorn in diesen Bereichen erfordern koordinierte internationale Materialwissenschaften und weiteren optimierten Ingenierurs-Aufwand.

->Quellen: