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Eine kurze Diskussion über die Arten von Solarzellen
Früher war Solarenergie nur fortschrittlichen Raumfahrzeugen und einigen ausgefallenen Geräten vorbehalten, aber das ist nicht mehr der Fall. Im letzten Jahrzehnt hat sich die Solarenergie von einer Nischenenergiequelle zu einer wichtigen Säule der globalen Energielandschaft entwickelt.
Die Erde ist kontinuierlich etwa 173.000 TW Sonnenstrahlung ausgesetzt, was mehr als dem Zehnfachen des weltweiten durchschnittlichen Strombedarfs entspricht.
[1] Dies bedeutet, dass Solarenergie in der Lage ist, unseren gesamten Energiebedarf zu decken.
Im ersten Halbjahr 2023 machte die Solarstromerzeugung 5,77 % der gesamten US-Stromerzeugung aus, gegenüber 4,95 % im Jahr 2022.
[2] Obwohl fossile Brennstoffe (hauptsächlich Erdgas und Kohle) im Jahr 2022 bis zu 60,4 % der US-amerikanischen Stromerzeugung ausmachen werden,
[3] Der wachsende Einfluss der Solarenergie und die rasante Entwicklung der Solarenergietechnologie verdienen jedoch Aufmerksamkeit.
Derzeit gibt es drei Hauptkategorien von Solarzellen (auch bekannt als Photovoltaikzellen (PV)) auf dem Markt: kristalline Zellen, Dünnschichtzellen und neue Technologien. Diese drei Batterietypen haben ihre eigenen Vorteile hinsichtlich Effizienz, Kosten und Lebensdauer.
01 Kristall
Die meisten Solarmodule auf Hausdächern bestehen aus hochreinem monokristallinem Silizium. Dieser Batterietyp hat in den letzten Jahren einen Wirkungsgrad von über 26 % und eine Lebensdauer von über 30 Jahren erreicht.
[4] Der aktuelle Wirkungsgrad von Haushaltssolarpaneelen liegt bei etwa 22 %.
Polykristallines Silizium kostet weniger als monokristallines Silizium, ist jedoch weniger effizient und hat eine kürzere Lebensdauer. Eine geringere Effizienz bedeutet, dass mehr Panels und mehr Fläche benötigt werden.
Solarzellen Die auf der Multi-Junction-Galliumarsenid-Technologie (GaAs) basierenden Solarzellen sind effizienter als herkömmliche Solarzellen. Diese Zellen haben eine mehrschichtige Struktur und jede Schicht verwendet ein anderes Material, wie etwa Indiumgalliumphosphid (GaInP), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Germanium (Ge), um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts zu absorbieren. Obwohl erwartet wird, dass diese Mehrfachzellen einen hohen Wirkungsgrad erreichen, leiden sie immer noch unter hohen Herstellungskosten und unausgereifter Forschung und Entwicklung, was ihre kommerzielle Machbarkeit und praktische Anwendung einschränkt.
02-Film
Der Hauptstrom der Dünnschicht-Photovoltaikprodukte auf dem Weltmarkt sind Cadmiumtellurid (CdTe)-Photovoltaikmodule. Weltweit wurden Millionen solcher Module installiert, mit einer Spitzenstromerzeugungskapazität von mehr als 30 GW. Sie werden hauptsächlich zur Stromerzeugung im Versorgungsmaßstab in den Vereinigten Staaten eingesetzt. Fabrik.
Bei dieser Dünnschichttechnologie enthält ein 1 Quadratmeter großes Solarmodul weniger Cadmium als eine Nickel-Cadmium-Batterie (Ni-Cd) der Größe AAA. Darüber hinaus ist das Cadmium in Solarmodulen an Tellur gebunden, das wasserunlöslich ist und bis zu Temperaturen von 1.200 °C stabil bleibt. Diese Faktoren mindern die toxischen Gefahren der Verwendung von Cadmiumtellurid in Dünnschichtbatterien.
Der Tellurgehalt in der Erdkruste beträgt nur 0,001 Teile pro Million. Ebenso wie Platin ein seltenes Element ist, kann die Seltenheit von Tellur die Kosten eines Cadmiumtellurid-Moduls erheblich beeinflussen. Es ist jedoch möglich, dieses Problem durch Recyclingpraktiken zu lindern.
Der Wirkungsgrad von Cadmiumtellurid-Modulen kann 18,6 % erreichen, und der Batteriewirkungsgrad in einer Laborumgebung kann 22 % überschreiten. [5] Der Einsatz einer Arsen-Dotierung anstelle der seit langem verwendeten Kupfer-Dotierung kann die Modullebensdauer erheblich verbessern und ein mit Kristallbatterien vergleichbares Niveau erreichen.
03Neue Technologien
Neue Photovoltaik-Technologien mit ultradünnen Filmen (weniger als 1 Mikrometer) und Direktabscheidungstechniken werden die Produktionskosten senken und hochwertige Halbleiter für Solarzellen liefern. Es wird erwartet, dass diese Technologien zu Konkurrenten etablierter Materialien wie Silizium, Cadmiumtellurid und Galliumarsenid werden.
[6]In diesem Bereich gibt es drei bekannte Dünnschichttechnologien: Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (Cu2ZnSnS4 oder CZTS), Zinkphosphid (Zn3P2) und einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNT). In einer Laborumgebung haben Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen (CIGS) einen beeindruckenden Spitzenwirkungsgrad von 22,4 % erreicht. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, solche Effizienzniveaus im kommerziellen Maßstab zu reproduzieren.
[7]Bleihalogenid-Perowskit-Dünnschichtzellen sind eine attraktive neue Solartechnologie. Perowskit ist eine Substanzart mit einer typischen Kristallstruktur der chemischen Formel ABX3. Es ist ein gelbes, braunes oder schwarzes Mineral, dessen Hauptbestandteil Calciumtitanat (CaTiO3) ist. Siliziumbasierte Perowskit-Tandemsolarzellen im kommerziellen Maßstab des britischen Unternehmens Oxford PV haben einen Rekordwirkungsgrad von 28,6 % erreicht und werden noch in diesem Jahr in Produktion gehen.
[8]In nur wenigen Jahren haben Perowskit-Solarzellen ähnliche Wirkungsgrade wie bestehende Cadmiumtellurid-Dünnschichtzellen erreicht. In der frühen Forschung und Entwicklung von Perowskit-Batterien war die Lebensdauer ein großes Thema, da sie so kurz war, dass sie nur in Monaten berechnet werden konnte.
Heute haben Perowskit-Zellen eine Lebensdauer von 25 Jahren und mehr. Derzeit liegen die Vorteile von Perowskit-Solarzellen in einem hohen Umwandlungswirkungsgrad (mehr als 25 %), niedrigen Produktionskosten und niedrigen für den Produktionsprozess erforderlichen Temperaturen.
Integrierte Solarmodule bauen
Einige Solarzellen sind so konzipiert, dass sie nur einen Teil des Sonnenspektrums einfangen, aber sichtbares Licht durchlassen. Diese transparenten Zellen werden Farbstoffsolarzellen (DSC) genannt und wurden 1991 in der Schweiz geboren. Neue Forschungs- und Entwicklungsergebnisse der letzten Jahre haben die Effizienz von DSCs verbessert, und es wird möglicherweise nicht mehr lange dauern, bis diese Solarmodule auf den Markt kommen.
Einige Unternehmen injizieren anorganische Nanopartikel in Polycarbonat-Glasschichten. Die Nanopartikel in dieser Technologie verschieben bestimmte Teile des Spektrums an den Rand des Glases, sodass ein Großteil des Spektrums passieren kann. Das am Glasrand konzentrierte Licht wird dann von Solarzellen genutzt. Darüber hinaus wird derzeit die Technologie zum Aufbringen von Perowskit-Dünnschichtmaterialien auf transparente Solarfenster und Gebäudeaußenwände untersucht.
Rohstoffe, die für Solarenergie benötigt werden
Um die Solarstromerzeugung zu steigern, wird der Bedarf für den Abbau wichtiger Rohstoffe wie Silizium, Silber, Kupfer und Aluminium steigen. Das US-Energieministerium gibt an, dass etwa 12 % des weltweiten metallurgischen Siliziums (MGS) zu Polysilizium für Solarmodule verarbeitet werden.
China ist ein wichtiger Akteur in diesem Bereich und produziert im Jahr 2020 etwa 70 % des weltweiten MGS und 77 % seines Polysiliziumangebots.
Der Prozess der Umwandlung von Silizium in Polysilizium erfordert sehr hohe Temperaturen. In China wird die Energie für diese Prozesse hauptsächlich aus Kohle gewonnen. Xinjiang verfügt über reichlich Kohleressourcen und niedrige Stromkosten, und seine Polysiliziumproduktion macht 45 % der weltweiten Produktion aus.
[12]Die Produktion von Solarmodulen verbraucht etwa 10 % des weltweiten Silbers. Der Silberabbau findet hauptsächlich in Mexiko, China, Peru, Chile, Australien, Russland und Polen statt und kann zu Problemen wie Schwermetallkontamination und Zwangsumsiedlung lokaler Gemeinden führen.
Auch der Kupfer- und Aluminiumbergbau stellt die Landnutzung vor Herausforderungen. Der US Geological Survey stellt fest, dass auf Chile 27 % der weltweiten Kupferproduktion entfällt, gefolgt von Peru (10 %), China (8 %) und der Demokratischen Republik Kongo (8 %). Die Internationale Energieagentur (IEA) geht davon aus, dass sich die Nachfrage nach Kupfer aus Solarprojekten nahezu verdreifachen wird, wenn die weltweite Nutzung erneuerbarer Energien bis 2050 100 % erreicht.
[13]Fazit
Wird Solarenergie eines Tages unsere Hauptenergiequelle sein? Der Preis für Solarenergie sinkt und die Effizienz steigt. Mittlerweile stehen Ihnen viele verschiedene Wege zur Solartechnik zur Auswahl. Wann werden wir eine oder zwei Technologien identifizieren und sie tatsächlich zum Laufen bringen? Wie lässt sich Solarenergie ins Netz integrieren?
Die Entwicklung der Solarenergie vom Spezialgebiet zum Mainstream unterstreicht ihr Potenzial, unseren Energiebedarf zu decken und zu übertreffen. Während derzeit kristalline Solarzellen den Markt dominieren, ebnen Fortschritte in der Dünnschichttechnologie und neue Technologien wie Cadmiumtellurid und Perowskite den Weg für effizientere und integrierte Solaranwendungen. Die Solarenergie steht immer noch vor vielen Herausforderungen, wie etwa den Umweltauswirkungen des Rohstoffabbaus und Engpässen in der Produktion, aber schließlich handelt es sich um eine schnell wachsende, innovative und vielversprechende Branche.
Mit der richtigen Balance zwischen technologischem Fortschritt und nachhaltigen Praktiken werden das Wachstum und die Entwicklung der Solarenergie den Weg für eine sauberere, reichhaltigere Energiezukunft ebnen. Aus diesem Grund wird es ein deutliches Wachstum im US-amerikanischen Energiemix verzeichnen und es wird erwartet, dass es zu einer globalen nachhaltigen Lösung wird.