Energieverluste in einer Solarzelle, weltweite Optimierung von Effizienz und Wirkungsgrad.

Solarenergie wird als die Zukunft der alternativen Energiequellen angesehen, da sie keine Umweltverschmutzung verursacht und zur Bekämpfung des Treibhauseffekt auf das globale Klima, der durch die Verwendung fossiler Brennstoffe entsteht. Es wird erwartet, dass die Solarenergie bis zum Jahr 2050 die größte Stromquelle der Welt sein wird. Die Verwendung von Solarmodulen ergänzt den herkömmlichen Stromverbrauch aus einer umweltfreundlicheren Quelle.

Die Effizienz des Systems zur Nutzung der Solar-Energie ist von grosser Bedeutung. Wie kann die Effizienz durch die Optimierung der Faktoren verbessert werden, welche die Verluste beeinflussen? Denn es gibt viele verschiedene Gründe, warum eine Solarzelle nicht die Soll-Leistung erbringt und die zu Energieverlusten führen. 

Welche Arten von Solarzellen gibt es? 

Monokristallines Silizium
Monokristalline Silizium-PV-Paneele Diese werden mit Zellen hergestellt, die aus einem einzigen zylindrischen Siliziumkristall geschnitten sind. Dies ist die effizienteste Photovoltaik-Technologie, die in der Regel etwa 15 % der Sonnenenergie in Strom umwandelt.

Polykristallines Silizium
Polykristalline Silizium-PV-Paneele Polykristalline Siliziumzellen, die auch als multikristalline Zellen bezeichnet werden, werden aus Zellen, die aus einem Block geschmolzenen und rekristallisierten Siliziums geschnitten werden. Sie sind in der Regel etwas weniger effizient, mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von etwa 12 %.

Dickschicht-Silizium
Die Dickschicht-Silizium-PV-Paneele ist eine Variante der multikristallinen Technologie, bei der das Silizium in einem kontinuierlichen Prozess auf ein Trägermaterial aufgebracht wird, wodurch ein feinkörniges, glänzendes Aussehen entsteht.

Amorphes Silizium
Amorphe Silizium-PV-Paneele Amorphe Siliziumzellen werden hergestellt, indem Silizium in einer dünnen homogenen Schicht auf ein Substrat aufgebracht wird. Diese Technologie ist jedoch weniger effizient als kristallines Silizium, mit einem typischen Wirkungsgrad von etwa 6 %, aber sie ist in der Regel einfacher und billiger zu produzieren. Wenn die Dachfläche nicht eingeschränkt ist, kann ein amorphes Produkt eine gute Option sein. 

Wirkungsgrad von Solarzellen. 

Der Wirkungsgrad der Solarzelle ist der wichtigste Parameter, der bestimmt, wie effizient die Solarzelle im Vergleich zu einer anderen ist. Der Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis der von der Solarzelle abgegebenen Energie zur zugeführten Energie, d. h. zur erhaltenen Sonnenenergie. 

Wie der Wirkungsgrad der Solarzelle berechnet wird:
Ausgangsleistung (w) X 100%
Fläche (m^2) x 1000W/m^2

Wie lange halten Solarzellen?

Solarmodule sind sehr langlebig. Sie enthalten keine Hauptplatine, keinen Prozessor, keine Pumpen, keine Lüfter usw., kurz gesagt, keine empfindlichen und oder beweglichen Teile. Die Komponenten der Solarzelle sind langlebig und ihre Aufgabe ist es, an einem Ort so viel Energie wie möglich von der Sonne zu absorbieren. Mit der Verbesserung der Solartechnik hat sich die Leistung von Solarmodulen im Laufe der Zeit immer weiter verbessert. Die meisten dermodernen Solarmodule sind auch effizient.

Abnahme des Wirkungsgrades.

Jährlich nimmt der Wirkungsgrad von Solarmodulen nur um ein halbes Prozent ab. Die Verluste sind hauptsächlich auf Wasserdampfeinwirkung zurückzuführen. 

Anschlussverluste.
Dioden und Anschlussverluste durch Anwendung von Bypass-Dioden: Solche Schutzkomponenten können ein Problem verursachen, das gemeinhin als Leistungsverlust im System bezeichnet wird. Ein anderer bekannter Verbindungsverlust in einer Photovoltaikanlage tritt bei Photovoltaik-Modulen und anderen elektrischen Komponenten auf, die miteinander verbunden werden, um eine Photovoltaik-Anlage zu bilden, was im Volksmund als bekannt ist als resistiver Verlust. 

Verluste bei der Sonnennachführung.

Die Sonne bewegt sich während des Tages über den Himmel. Wenn es sich um feste Sonnenkollektoren handelt, erfolgt die Schätzung der Kollektorfläche auf der Ebene, die senkrecht zur Strahlungsrichtung liegt, durch die Funktion Kosinus des Einfallswinkels. Verluste bei der Sonnennachführung treten immer dann auf, wenn die einzelnen oder zwei Achsen des nachgeführten Solarmoduls nicht optimal ausgerichtet sind oder aufgrund eines mechanischen Defekts falsch ausgerichtet sind.

Mismatch-Verluste.
Wenn Photovoltaik-Module mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammengeschaltet werden, ergibt sich eine Gesamtleistung, die geringer ist als die Leistung, die durch Summierung der von den einzelnen Modulen gelieferten Ausgangsleistung erreicht wird. Strom- und Spannungseigenschaften sind nicht identisch für alle Photovoltaikmodule. Diese Ungleichheit führt dazu, dass die Photovoltaikmodule auf gemeinsame Spannung verbunden werden müssten und wenn sie in Reihe oder parallel geschaltet sind, kommt es zu Leistungsverlusten, die als Mismatch bezeichnet wird. 

Wechselrichter.
Der Wechselrichter ist die Hauptkomponente einer Solaranlage und wandelt den vom Solarpanel erzeugten Strom von Gleichstrom in Wechselstrom um. Heutzutage gibt es zwei Arten von Wechselrichtern, die ein Panel verwenden kann. Das erste ist ein einzelner, zentraler Wechselrichter. Das andere ist ein Multi-Schema, bei dem zwei oder mehr Wechselrichter in einem Array verwendet werden. In diesem Fall hat jedes der Panels einen eigenen Wechselrichter. Die Lebensdauer eines Wechselrichters liegt bei etwa einem Jahrzehnt und bei einer Standardabweichung haben Wechselrichter eine Lebensdauer von 3 Jahren. Die Lebensdauer von Wechselrichtern ist ein großes Problem. 

Ausfall der Überwachung.
Heutzutage sind Wechselrichter in der Regel mit integrierten Überwachungsgeräten ausgestattet. Strom und Spannungsausgang können gemessen werden. Bei neuen Modellen von Wechselrichtern kann es bei einer Unterbrechung der Datenverbindung der hilfreich sein, den Wechselrichter selbst zu überprüfen, um zu sehen, ob die Datenverbindung eingeschaltet ist und die Informationen überwacht werden. Bei älteren Modellen hingegen muss man jedes einzelne Gerät überprüfen, um sicherzugehen, dass der Datenstrom funktioniert oder nicht.

Verluste, welche die physikalischen Eigenschaften beeinflussen.

Abschattungsverluste.
Dies geschieht, wenn Photovoltaikmodule durch Bäume, Gebäude oder andere Körper in der Nähe der Photovoltaik-Module die Leistung absenken. Diese Abschattung beeinträchtigt die Leistung der Photovoltaik-Module. Das photovoltaische System hat Probleme mit der Nichtlinearität zwischen Strom und Spannung unter Halbschattenbedingungen. Laut einer statistischen Untersuchung kann der Leistungsverlust zwischen 10% und 70% variieren.

Verschmutzungsverluste
Dieser Verlust bezieht sich auf Leistungsverluste durch Schnee, Schmutz, Staub und viele andere Partikel, die die Oberfläche des Photovoltaik-Moduls bedecken. Staub ist eine sehr dünne Schicht, welche die äußere Oberfläche des Solarmoduls bedeckt. Die typischen Staubpartikel sind weniger als 10μm im Durchmesser, aber das hängt vom Standort und der Umgebung ab. Staub wird aus vielen Quellen erzeugt, wie Verschmutzung durch Wind, Fahrzeugbewegungen und vieles mehr. Der angesammelte Staub verschlimmert mit der Zeit den Verschmutzungseffekt. Die Menge des auf der Oberfläche des PV-Moduls angesammelten Staubs wirkt sich nämlich auf die vom PV-Modul gelieferte Gesamtenergie auf täglicher, monatlicher, saisonaler und jährlicher Basis.

Risse im Panel
Dies wird durch verschiedene Arten von Quellen verursacht. Physikalische Einwirkungen, Schwingungen durch Wind oder Herstellungsfehler können zu Rissen im Panel führen. Risse vermindern den Energieertrag und den Wirkungsgrad des Moduls. Der Grund dafür ist, dass die Risse die optischen Risse verändern die optischen Eigenschaften des Panels. Dies führt dazu, dass das Licht die Oberfläche des Panels anders oder nicht durchdringt. So kann nicht die maximale Lichtmenge in die Platte eindringen.

Wind
Auch Wind ein Problem der Positionierung. Aufgrund von Vorschriften müssen alle Solarmodule getestet werden, um unter bestimmten Windlasten getestet zu werden. Die Windlasten im Test sind zwar beachtlich, aber sie imitieren nicht genau die Windmuster im wirklichen Leben. Denn bei den Tests wird ein Panel in einen Windkanal gestellt und dort linear aus einer einzigen Richtung mit Wind beschossen. In der Praxis sind die Windmuster nicht linear und können Schäden an den Solarmodulen verursachen. Dies geschieht, wenn Schwingungen induziert werden und eine Schwingungsfrequenz erreicht wird, die ausreicht, um die Paneele vollständig zu zerstören. Viele Windmuster wie Wirbelstürme verursachen Auftrieb unter den Solarmodulen. Der am meisten gefährdete Teil einer Anlage sind die Ecken, und diese sind oft Abhängig von der Ausrichtung der Umgebung und der Position der Paneele. Deshalb kann die Positionierung ein entscheidender Faktor sein, ob die Anlage starken Wind übersteht oder nicht. Vor allem über eine Lebensdauer von 20-25 Jahren hinweg. Derzeit gibt es keine leicht zugängliche Möglichkeit zu testen, ob die Solarmodule dynamischen Windlasten standhalten können. Es wären genaue Strömungssimulationen erforderlich, um festzustellen, ob die Paneele stabil genug sind. In der Regel kennen sich die Installateure sehr gut mit Windlasten aus und können aufgrund ihrer jahrelangen Erfahrung gut beurteilen, ob dies am Standort ein Problem sein könnte. Alle Installateure verlangen vor dem Bau einer Anlage eine Inspektion, um größere Probleme vorherzusehen.

Modellierung des Energieverlusts in Solarzellen.

Eine theoretische Modellierung des Energieverlusts in Solarzellen zeigt zum Beispiel, dass atomare Schwingungen die Effizienz beeinträchtigen. Bei der Absorption von Sonnenlicht in Silizium-Solarzellen kommt es zu Verlusten durch die Wärme "heißer" photoangeregter Elektronen. Elektronen in Festkörpern nehmen Energieniveaus ein, die als elektronische Bänder bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür ist die elektronische Bandstruktur von Silizium. "Heiße" photoangeregte Elektronen haben überschüssige Energie und verlieren diese Energie in Form von Wärme, anstatt Strom zu erzeugen.

Ein wichtiger Mechanismus für diese schädliche Erwärmung sind Elektron-Phononen-Streuungsprozesse. Farbige Karten der Verbreiterung der Energieniveaus aufgrund von Streuung sowie der Relaxationszeiten für photoangeregte Elektronen werden über die Bandstruktur gelegt. Dieses neue Verständnis der Verluste durch Erwärmung könnte zu effizienteren Solarzellen führen. 

Elektronendynamik. 

Wenn Sonnenlicht in einer Solarzelle absorbiert wird, geht ein Teil der Energie, die genutzt werden könnte, als Wärme verloren. Da dieser komplexe Verlustprozess in einem Bruchteil einer Sekunde abläuft, war es lange Zeit eine Herausforderung, ihn zu charakterisieren. Zum ersten Mal wurden genaue theoretische Berechnungen der Energie, die in Silizium, dem Hauptbestandteil von Solarzellen, in Form von Wärme verloren geht, nach ersten Prinzipien durchgeführt. Dieses Verständnis sollte die Entwicklung von Geräten mit deutlich verbessertem Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie ermöglichen.

Das Verständnis der Energieverluste in Materialien bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, die so genannte Elektronendynamik, ist von zentraler Bedeutung für die Verbesserung von Technologien zur Umwandlung von Sonnenenergie. Die Herausforderungen, die sich aus den Zeitskalen im Sub-Pikosekundenbereich und der komplexen Physik ergeben, wurden in dieser grundlegenden theoretischen Forschung gemeistert, was neue Wege für die Entwicklung effizienterer Energieumwandlungsmaterialien eröffnet.

Wenn Sonnenlicht in einer Solarzelle absorbiert wird, werden negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher erzeugt, die wiederum elektrischen Strom erzeugen. Das absorbierte Licht erzeugt Elektronen und Löcher mit unterschiedlichen Energien - die Elektronen und Löcher mit größerer Energie, die so genannten "heißen" Elektronen und Löcher, verlieren ihre Energie in Form von Wärme, bevor sie in elektrischen Strom umgewandelt werden können.

Die Umwandlung der Energie heißer Ladungsträger in Wärme ist in der Tat die Hauptquelle für Energieverluste in Solarzellen. Diese Verluste sind für viele Energieumwandlungsprozesse von zentraler Bedeutung und treten in den meisten elektronischen/optoelektronischen Energieumwandlungsgeräten auf. Außerdem treten sie mit ultraschnellen Geschwindigkeiten auf, typischerweise weniger als 1 Pikosekunde. Aufgrund der Zeitskala von weniger als einer Pikosekunde und der damit verbundenen komplexen Physik war die Charakterisierung heißer Ladungsträger lange Zeit eine Herausforderung, selbst für die einfachsten Materialien.

Die Forschungsarbeit am Lawrence Berkeley National Laboratory liefert die ersten ab initio Berechnungen der Eigenschaften und der Dynamik heißer Ladungsträger in Halbleitern unter Verwendung der Vielteilchen-Störungstheorie ohne experimentell abgeleitete Parameter. Unter Verwendung von Methoden für angeregte Zustände und Computercodes wurden die Eigenschaften und die Dynamik der heißen Ladungsträger in Silizium berechnet.

Außerdem wurde ihr Verhalten als Funktion der Zeit innerhalb der ersten Pikosekunde nach der Sonnenlichtabsorption verfolgt. Es zeigte sich, dass der dominierende Verlustmechanismus die Erzeugung von Phononen oder die Schwingungsbewegung der Atompositionen war. Diese Ergebnisse klären den Mechanismus des Energieverlusts für heiße Ladungsträger und erklären frühere Experimente. Diese Arbeit eröffnet die Möglichkeit, ab initio-Berechnungen zu nutzen, um neue Experimente zu interpretieren und anzuleiten, um die Energie heißer Ladungsträger in Halbleitern und anderen Systemen nutzbar zu machen, und öffnet die Tür für theoretisch entworfene neue Materialien zur effizienten Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität.

Systemdesign. 

Ein weiterer Hauptgrund für den Energieverlust im Sommer ist das Systemdesign, das eine Überdimensionierung der PV-Anlage erfordert, um die Last während der Wintersaison zu versorgen, wenn die Sonnenenergie begrenzt ist. Andere Gründe, die zu Energieverlusten führen, sind eine Fehlanpassung zwischen der Anlage und der Last oder der Batterie, Energieverluste in den Batterien und Verluste durch die Abschaltung der PV-Anlage.

Ein Verlust durch die Abschaltung der Anlage tritt in der Sommersaison auf, wenn die Speicherbatterie voll geladen ist. Um den Abschaltverlust zu vermeiden, wird ein neuartiger Batteriespannungsregler (BVR) eingesetzt, der es ermöglicht, die Last direkt von der Anlage zu versorgen, wenn die Batterie vollständig geladen ist. 

Verlusten vorbeugen – Pflege der Solarzellen und Reinigung.

Solarmodule in staubigen Regionen können mit Reinigungsmitteln und Wasser gereinigt werden. Aber die Reinigung staubiger, schmutziger Paneele mit handelsüblichen Reinigungsmitteln kann jedoch zeitaufwändig, kostspielig und sehr umweltschädlich sein oder sogar die Oberfläche des Panelrahmens korrodieren. Normalerweise sollten Solarmodule alle paar Wochen gereinigt werden, um ihren hohen Wirkungsgrad zu erhalten. Dies ist vor allem bei großen Solarmodulen schwer zu bewerkstelligen. 

Robuste Beschichtung
Seamus Curran, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Houston und Direktor des Instituts für Nano-Energie, das sich auf das Design, die Konstruktion und die Montage von Nanostrukturen spezialisiert ist, hat ein selbstreinigendes hydrophobes Nano-Material entwickelt, welches das Solarpanel beschichtet. Die hydrophobe Nano-Beschichtung von Curran kann auf eine Vielzahl von Oberflächenmaterialien aufgebracht werden, einschließlich Glas, Stofffasern, Holz, Textilien und Kunststoff. Die Schicht ist so dünn, dass sie das Licht nicht streut und daher die Leistung des Solarmoduls nicht beeinträchtigt. Wasser ist der Hauptgrund für die Verschmutzung von Solarmodulen. Regen und Kondenswasser setzen sich in den Mikrovertiefungen der Glasoberfläche fest, wo sie Partikel anziehen. Das Wasser verdunstet leicht und schnell und hinterlässt einen schmutzigen Rückstand, der schwer zu entfernen ist. Eine Nano Hydrophobierungsschicht füllt jedoch die Mikrovertiefungen auf und schafft eine glatte Glasoberfläche, die kein Wasser aufnehmen kann. 

Wärme- oder Temperaturverluste
Diese sind einer der wichtigsten Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen. Die Temperatur kann die Leistung einer PV-Anlage erheblich verringern. Dieser Effizienzverlust kann durch die folgenden Mittel vermieden werden: Bestimmung des Wirkungsgrads des Paneels in Abhängigkeit von den jahreszeitlichen Schwankungen und der geografischen Region, z. B. hochkonzentrierte PV-Anlagen mit hoher Konzentration, die für heißes Klima ausgelegt sind, sollten vorrangig in Betracht gezogen werden. 

Verringerung der Auswirkungen der Hitze.

Durch die Installation einige Zentimeter über dem Dach wird ein konvektiver Luftstrom zur Abkühlung der Paneele ermöglicht. Auch die Verwendung heller Materialien für die Paneele, um die Wärmeabsorption zu verringern. Komponenten wie Wechselrichtern und Kombinatoren sollten in den schattigen Bereich hinter der Anlage verlegt werden.

Es gibt unzählige Gründe, die für die Verschmutzung verantwortlich sind, welche nicht durch Selbstreinigung entfernt werden können. Zwar ist ein Reinigungsprozess erforderlich, aber die Kosten und die Zeit sind Faktoren, die ebenso gewichtet werden müssen. Wenn man sich für die Reinigung des PV-Modulsystems entscheidet, kann dessen Ertragsverbesserung bewertet werden.

Die Solarenergie ist eine unbegrenzte Ressource. Seit vielen Jahrzehnten ist sie Gegenstand von Forschung und Entwicklung und damit auch der Verbesserung ihrer Verluste, die ihre Effizienz einschränken. Die Sonne liefert in einer Minute genug Energie, um den Energiebedarf der Welt für ein Jahr zu decken. Aber diese Ressource effizient zu nutzen und sie zur Deckung des Bedarfs einzusetzen, ist recht schwierig. Im Gegensatz dazu leiden auch die auf Silizium basierenden Solarzellen darunter, dass ihre Leistungsfähigkeit mit der Zeit abnimmt.

Es einige mehr oder weniger ideale Lösungen, welche die Verluste einzudämmen vermögen. Auch die Auswirkungen von Abschattungsverlusten kann vermindert werden. Die Staubreinigung kann durch Niederschlag erfolgen, der kostenlos, aber saisonal verfügbar ist. Die manuelle Reinigung ist der gleiche Prozess wie die Reinigung der Glasfenster eines Gebäudes. Die mobile Reinigung nutzt Maschinen für die Bewässerung und die Lagerung von Wasservorräten (auch das Sammeln von Wasserressourcen ist erforderlich). Es besteht jedoch ein großer Bedarf an Forschung, um Reinigungslösungen zu entwickeln, welche die Effizienz der Solarzelle erhalten können.

Quelle 09/2022-1

Quelle 09/2022-2