Solarmodule: neue Technik in Sicht
Es gibt viele neue Entwicklungen bei Solarmodulen. Die meisten Innovationen der Solarzellen gehen in Richtung mehr Effizienz. Das ist vor dem Hintergrund der sprunghaft gestiegenen Bedeutung regenerativer Energien für die Zukunft einer sicheren Energieversorgung enorm wichtig. Schließlich muss man in Deutschland häufiger mit bedecktem Himmel oder diffuser Sonneneinstrahlung rechnen als in Südeuropa. Das schmälert die Sonnenernte. Hier lesen Sie über die aktuell interessantesten Entwicklungen neuer Solarmodule.
Wenn die Emanzipation von fossilen Brennstoffen schnell gelingen soll, ist der Ausbau regenerativer Energiequellen entscheidend. Sauber und günstig ist die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht. Genug Flächen dafür stehen in Deutschland zur Verfügung. Damit die Ausbeute auch in sonnenärmeren Regionen oder an ungünstigen Installationsorten wirtschaftlich ist, arbeiten Forschende weltweit daran, die Leistung von Kollektoren zu verbessern. Denn die klassischen solaren Stromerzeuger auf der Basis von Silizium sind technisch so weit ausgereift, dass ihre Effizienz nicht mehr zu steigern ist. Doch es gibt zahlreiche neue Solarmodule in der Entwicklung die das, was hierzulande an Sonnenleistung fehlt, durch höhere Effizienz bei der Ernte ausgleichen. Hier ein Blick in solare Zukunftsformate.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
In Solarzellen wird Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Das geschieht über eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Elektroden. Dabei werden Elektronen durch die Energie des Sonnenlichtes aus ihrem Verbund gelöst, sodass sich die Verteilung der negativ geladenen Elektronen ändert. Eine elektrische Ladung entsteht.
In einer Solarzelle geschieht das in der Regel über zwei Halbleiterschichten. Für die meisten Solarzellen wird hochreines Silizium verwendet. Die äußere Schicht ist negativ geladen und wird n-Schicht genannt. Die innere Schicht ist positiv geladen und wird p-Schicht genannt. Zwischen beiden Schichten liegt der p-n-Übergang. Dort entsteht bei Sonneneinstrahlung ein elektrisches Feld, indem sich freiwerdende Elektronen durch das elektrische Feld bewegen und dabei elektrische Spannung erzeugen. Das Entstehen der elektrischen Spannung wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.
Heute werden vor allem PV-Anlagen mit monokristalline und polykristalline Siliziumzellen installiert. Erstere sind teurer, erzielen aber auch höhere Wirkungsgrade von rund 20 %. Die günstigeren polykristallinen Siliziumzellen schaffen nur einen Wirkungsgrad von etwa 16%.
Neue Solarmodule mit ferroelektrischen Eigenschaften
Ein Ansatzpunkt bei neuen Solarmodulen besteht darin, die Stromausbeute der einzelnen Solarzellen, also ihre Effizienz, massiv zu erhöhen. So ist es Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) gelungen, neue Solarmodule zu bauen, die den photovoltaischen Effekt mit drei übereinanderliegenden Kristallschichten deutlich erhöhen. Dafür wurde das bisher übliche Silizium durch eine andere Mischung ersetzt, nämlich durch hauchdünne Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat.
Diese leistungsfähigeren sogenannten Ferroelektrika erhöhen den photovoltaischen Effekt deutlich. Ferroelektrische Stoffe besitzen räumlich getrennte positive und negative Ladungen. Ihre Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die bei Lichteinstrahlung Strom erzeugt. Neue Solarmodule mit ferroelektrischen Kristallen sind zudem auch einfacher herzustellen als solche auf Basis von Silizium. Bis zur Marktreife wird es bei dieser Neuentwicklung aber noch etwas dauern.
Solarmodule mit Durchblick: Lichtdurchlässige Solarzellen
Eine weitere Neuentwicklung bei Solarmodulen ist die Lichtdurchlässigkeit von Solarzellen. Solche sogenannten bificalen Solarzellen sind lichtdurchlässig. Sie fangen Licht auf Vorder- und Rückseite ein und wandeln es in Strom um. Das ist gut, um den Solarertrag pro Quadratmeter zu erhöhen. Ursprünglich in der Raumfahrt zu Hause, erobern sich die transparenten Solarmodule immer stärker ganz bodenständige Einsatzgebiete.
Um das Sonnenlicht nutzen zu können, das auf die Rückseite des Solarmoduls fällt, haben diese innovativen Anlagen meist transparente Rückseitenabdeckungen. Dadurch fällt der Ertrag der Vorderseite zwar etwas geringer aus, weil die Strahlung dort nicht mehr reflektiert wird. Dieser Einbußen wird aber durch die zusätzliche Stromernte der Rückseite wettgemacht: Bifaciale Module können bis zu 30 Prozent höhere Erträge als herkömmliche Module gleicher Größe erreichen. Wie viel Energie auf der Rückseite der neuen Solarmodule tatsächlich gesammelt werden kann, hängt von ihrer konkreten Installation, ihrem Neigungswinkel und dem Untergrund ab.
Die beidseitig arbeitenden Solarmodule fangen auf geneigten Dächern und an Fassaden eher wenig zusätzliches Licht ein, bevorzugt morgens und abends, wenn die Sonne in einem flachen Winkel zu den Modulen steht und besser darunter scheinen kann. Besser eignen sich bifaciale Solarzellen für aufgeständerte Module, die auf Carports, Flachdächern oder anderen Flächen Sonnenstrom erzeugen. Einige Hersteller haben das System schon auf den Markt gebracht, darunter auch ein deutsches Unternehmen aus Dresden.
Tandem-Solarzellen: Berlin und Oxford kämpfen um Wirkungsgrad-Rekord
Wer baut neue Solarzellen mit dem höchsten Wirkungsgrad? Das ist ein wissenschaftliches Kopf-an-Kopf-Rennen, bei dem mal die britische Oxford Universität die Nase vorn hat und mal das Berliner Helmholtz-Zentrum. Aktuell liegt Berlin mit seinen neuen Tandem-Solarzellen klar vorne: In seinem Versuch im November 2021 erreichte das Team von Professor Bernd Stannowski einen Wirkungsgrad von 29,8 Prozent. Vor diesem Erfolg hielt ein Forschungsinstitut der britischen Oxford Universität den Rekord mit einem Wirkungsgrad von 29,52 Prozent. Für die Steigerung der Effizienz machte sich das Berliner Team die sogenannte Tandemtechnologie zunutze. Dafür wird auf eine konventionelle Siliziumzelle eine weitere gesetzt. Als Zweierteam können beide das Licht wirkungsvoller in Strom umwandeln. Statt das übliche Silizium wurde für die zweite Solarzelle das leicht verfügbare Mineral Perowskit eingesetzt. Stannowski hält bei der neuen Tandentechnologie einen Wirkungsgrad von 44 Prozent für möglich. Marktreif werden diese neuen Solarmodule aber wohl erst in drei bis sieben Jahren.
Solarstrom auf intelligenten Verpackungen
Es ist eine Nischenanwendung und noch ferne Zukunftsmusik, aber das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden hat zusammen mit einem internationalen Forscherteam die Entwicklung einer neuen Anwendungsmöglichkeit von Solarenergie unterstützt. Und zwar nicht für Gebäude, sondern unter anderem für Verpackungen. Die neuen Solarzellen sollen aus recyceltem Kunststoff mit einer organischen Beschichtung bestehen. Die kurzlebigen neuen Solarmodule sollen auf intelligenten Verpackungen platziert werden. Denkbare Anwendungen könnten die Überwachung von Medikamenteneinnahmen sein oder die Sendungsverfolgung von Paketen. Ein Wermutstropfen: Der Wirkungsgrad der neuen Solarzellen liegt bei einem Prozent.