Photovoltaische Zelle

Photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das die im Licht (in der Regel Sonnenlicht) enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.

Historie

Der photovoltaischer Effekt wurde in 1839 durch den französischen Physiker Alexandre-Edmon Becquerel entdeckt. Die erste photovoltaische Zelle wurde jedoch erst in 1883 durch Charles Fritts konstruiert, der den halbleitfähigen Selen mit einer dünnen Goldschicht überzog. Seine Einrichtung hatte nur die einprozentige Wirksamkeit. In 1946 ließ er sich die Konstruktion der Solarzelle Russel Ohl patentieren. Die gegenwärtige Form der Solarzellen kam in 1954 in Bell Laboratories zur Welt. Bei den Versuchen mit dopiertem Silizium wurde dessen hohe Empfindlichkeit gegen die Beleuchtung entdeckt.

Das Ergebnis war die Realisation der photovoltaischen Zelle mit der Wirksamkeit um etwa sechs Prozent. Am Anfang der sechziger Jahre kamen die photovoltaischen Zellen aus den Laboren und dem Weltraum auch auf die Erde, großenteils auch dank den im Golf von Mexiko fördernden Erdölgesellschaften. Auf automatischen Erdölplattformen ist der elektrische Strom für die Beleuchtung (Leuchtturm) sowie für den Korrosionsschutz erforderlich.

Das physikalische Wesen des photovoltaischen Effekts erklärte Albert Einstein, der für seine Entdeckung in 1921 den Nobel-Preis bekam.

Herstellungstechnologie

Technologie der Dickschichten

Die photovoltaische Zelle besteht aus der großflächigen Halbleiter-p-n-Diode. Diese Zellen werden aus Silizium-Plättchen hergestellt, gleich ob es sich um das monokristallischen oder polykristallische Silizium handelt. Heutzutage werden anhand dieser Technologie mehr als 85% der Solarzellen auf dem Markt hergestellt.

Technologie der Dünnschichten

Die photovoltaische Zelle besteht aus der Tragfläche (wie z.B. Glas, Textilien usw.), auf der sehr dünne Schichten des amorphen oder mikrokristallischen Silizium aufgedämpft sind. Die Menge des fpr die Herstellung einer dünnschichtigen photovoltaischen Zelle verwendeten Materials ist niedriger als bei dicken Schichten, so dass die Zellen günstiger sind. Ein Nachteil der dünnschichtigen photovoltaischen Zellen ist ein niedrigerer Wirkungsgrad und kürzere Lebenszeit.

Nichtsilizium-Technologien

Im Unterschied zu den vorangehenden zwei Typen wird für die Lichtkonversion zum elektrischen Strom der traditionelle P-N-Halbleiterübergang nicht verwendet. Es werden verschiedene organische Verbindungen, Polymere u.Ä. verwendet. Diese Technologien befinden sich meistens im Erforschungsstadium.

Mit Hinsicht auf mögliche Massenausnutzung photovoltaischer Zellen, deren Herstellungspreis wesentlich günstiger wäre, als er heutzutage ist, erfolgt auch die Erforschung photovoltaischer Zellen, die mit anderen lichtempfindlichen Materialien als das Silizium arbeiten. Eine der Möglichkeiten sind leitfähige Polymere; z.B, im November 2005 ist es einer Forschungsgruppe an der University of California in Los Angeles gelungen, den bisher höchsten Wirkungsgrad von 4,4% zu erzielen.

Wirkungsgrad

In der photovoltaischen Zelle können so theoretisch höchstens fünfzig Prozent einfallenden Lichts in Strom transformiert werden. Praktisch wird der Wirkungsgrad von etwa fünfzehn Prozent bei industriell hergestellten Zellen erreicht. Bei experimentellen, laboratorsich hergestellten Zellen wird der Wirkungsgrand von bis dreißig Prozent erreicht.

Bei gegenwärtigen, dünnschichtigen Zellen wird der Wirkungsgrad von etwa 8 - 9 Prozent erreicht, im Lauf der Zeit sinkt er jedoch viel schneller als bei dickschichtigen Zellen.

In 2006 stellte das Nationallabor für die erneuerbare Energie (USA) Zellen vor, welche die dreifachen Übergänge ausnutzen, mit der Effektivität von bis 40,7% vor.

Energetische Rentabilität der Solarzelle

Es ist ein sehr verbreiteter Mythus, dass die photovoltaische zelle über ihre Lebensdauer nicht einmal so viele Energie zu herstellen schafft, wie viel sie für deren Herstellung verbraucht wird. In der Tatsache ist eine übliche, industriell hergestellte, ins Paneel eingeschaltete Zelle fähig, die Menge Energie, die für ihre Herstellung erforderlich war, schon in zwei oder drei Jahren zu produzieren, in der Abhängigkeit von den geographischen Bedingungen. Für die Bedingungen der Tschechischen Republik ist ein Beispiel der Berechnung der energetischen Rentabilität einer photovoltaischen Zelle - EPBT (Energy pay-back time) - auf den Seiten von Cz RE Agency aufgeführt und beträgt 3,86 - 5,22 Jahre. Bei der vorausgesetzten Lebensdauer photovoltaischer Zellen von 30 Jahren kann somit eine photovoltaische Zelle bis fünfzehnmal mehr Energie herstellen, als für deren Herstellung verbraucht wurde.

Photovoltaische Systeme in der Welt

In 2007 wurde weltweit eine Rekkordanzahl von 2,8 GWp photovoltaischer Zellen installiert.

Die meisten Installationen der Solarsysteme befinden sich auf dem Gebiet der industriell meist entwickelten Länder (wie z.B. die USA, BRD, Japan, die Schweiz, Frankreich, Italien, Niederlanden) und in Ländern, wo die Installation von photovoltaischen Systemen durch die Regierung oder internationale Organisationen unterstützt wird (wie z.B. Spanien, Griechenland, Marokko, Indonesien usw.). 89% der Gesamtmenge photovoltaischer Energie sind in Deutschland, Japan und den USA installiert.

Eine große Unterstützung seitens der Regierung gibt es heutzutage in den USA, in EU-Mitgliedsländern, Japan, Indonesien. Theoretische Erwägungen andeuten, dass photovoltaische Quellen in der Zukunft etwa 5÷10% des Gesamtstrombedarfs zum Jahre 2050 decken sollen. In den EU-Mitgliedsländern könnte bis zum Jahre 2010 die installierte Leistung auf 3 GWp erhöht werden. Dies entspricht dem jährlichen Gesamtanstieg in der Welt um 580 MWp.

In der Tschechischen Republik

Die Tschechische Republik besitzt hinsichtlich des Einfalls der Sonnenstrahlung keine optimale Lage, auch trotzdem handelt es sich jedoch um eine für den Aufbau der Sonnenkraftwerde sehr geeignete Lokalität. Für alles reden die Zahlen: die Mindestlichtkraft auf dem Gebiet der Tschechischen Republik beginnt bei 950 kWh/m2 und die höchste Lichtkraft bewegt sich um 1.250 - 1.300 kWh/m2. In der Tschechischen Republik fallen auf 1m2 horizontaler Fläche etwa 950 – 1340 kWh Energie ein * jährliche Menge der Sonnenstunden liegt im Umfang von 1331 – 1844 Stunden (das Tschechische Hydrometeorologische Institut), die Fachliteratur führt als den Durchschnittsbereich 1600 – 2100 Stunden auf. Aus der Sicht der praktischen Nutzung gilt dann, dass aus einem installierten Kilowatt des üblichen Systems (PV-Zellen aus monokristallischem bzw. multikristallischem Silizium, gewöhnlicher Wirkungsgrad der Wechselrichter usw.) für ein Jahr im Durchschnitt 800 – 1100 kWh elektrischen Stroms gewonnen werden können.