Technologie und Anatomie von Solarzellen, photovoltaische Umwandlung von Photonen in Elektronen.

Vermutlich haben Sie wie viele Menschen eine erste Solarzelle im Solarzellen-Rechner gesehen. Dies war eine der ersten Anwendungen von Solarzellen. Im Laufe der Jahre werden Anwendungen immer häufiger und auch die Durchdringung in unserem Alltag wird immer breiter.

Mittlerweile gibt es unzählige verschiedene Geräte, die keine Batterien benötigen und in manchen Fällen nicht einmal einen Ausschaltknopf haben. Solange genug Licht vorhanden ist, scheinen sie ewig zu funktionieren. Bestimmt haben Sie auch schon größere Solarpaneele gesehen, z. B. auf Straßenschildern, Notrufsäulen, Bojen und sogar auf Parkplätzen zur Stromversorgung der Beleuchtung.

Diese größeren Paneele sind zwar nicht so verbreitet wie solarbetriebene Taschenrechner, aber sie sind da draußen und nicht so schwer zu entdecken, wenn man weiß, wo man suchen muss. Tatsächlich wird die Photovoltaik - die früher fast ausschließlich im Weltraum eingesetzt wurde und bereits 1958 die elektrischen Systeme von Satelliten mit Strom versorgte - immer häufiger auf weniger exotische Weise genutzt. Die Technologie taucht immer wieder in neuen Geräten auf, von Sonnenbrillen bis hin zu Ladestationen für Elektrofahrzeuge.

Die Hoffnung auf eine "solare Revolution" ist seit Jahrzehnten im Umlauf - die Vorstellung, dass wir eines Tages alle kostenlosen Strom von der Sonne nutzen werden. Das ist ein verlockendes Versprechen, denn an einem hellen, sonnigen Tag geben die Sonnenstrahlen etwa 1.000 Watt Energie pro Quadratmeter der Erdoberfläche ab. Wenn wir diese Energie auffangen könnten, könnten wir unsere Häuser und Büros problemlos und kostenlos mit Strom versorgen. 

Photovoltaische Zellen: Umwandlung von Photonen in Elektronen.

Die Solarzellen, die Sie auf Taschenrechnern und Satelliten sehen, werden auch als photovoltaische (PV) Zellen bezeichnet, die, wie der Name schon sagt (photo bedeutet "Licht" und voltaisch bedeutet "Elektrizität"), Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln. Ein Modul ist eine Gruppe von Zellen, die elektrisch miteinander verbunden und in einem Rahmen verpackt sind (besser bekannt als Solarpanel), der dann zu größeren Solarzellenfeldern zusammengefasst werden kann, wie das auf der Nellis Air Force Base in Nevada.

Photovoltaikzellen bestehen aus speziellen Materialien, die als Halbleiter bezeichnet werden, wie z. B. Silizium, das derzeit am häufigsten verwendet wird. Wenn Licht auf die Zelle fällt, wird ein bestimmter Anteil des Lichts im Halbleitermaterial absorbiert. Das bedeutet, dass die Energie des absorbierten Lichts auf den Halbleiter übertragen wird. Durch die Energie werden Elektronen herausgeschlagen, die dann frei fließen können.

Alle PV-Zellen verfügen über ein oder mehrere elektrische Felder, welche die durch die Lichtabsorption freigesetzten Elektronen dazu zwingen, in eine bestimmte Richtung zu fließen. Dieser Elektronenfluss ist ein Strom, und durch das Anbringen von Metallkontakten an der Ober- und Unterseite der PV-Zelle können wir diesen Strom für die externe Nutzung abziehen, z. B. um einen Taschenrechner zu betreiben. Dieser Strom bestimmt zusammen mit der Zellenspannung (die sich aus dem oder den eingebauten elektrischen Feldern ergibt) die Leistung (oder Wattleistung), die die Solarzelle erzeugen kann. Dabei gibt es sehr viele verschiedene Zellen, zum Beispiel die einkristalline Siliziumzelle. 

Solarenergie und Umweltfreundlichkeit.

Das Betreiben einer eigenen PV-Anlage an einem Haus kann teuer sein - aber es gibt viele andere Möglichkeiten, ein Haus umweltfreundlicher zu gestalten.

Wie Silizium zu einer Solarzelle wird.

Silizium hat einige besondere chemische Eigenschaften, vor allem in seiner kristallinen Form. Ein Siliziumatom hat 14 Elektronen, die in drei verschiedenen Schalen angeordnet sind. Die ersten beiden Schalen - die zwei bzw. acht Elektronen enthalten - sind vollständig gefüllt. Die äußere Schale hingegen ist mit vier Elektronen nur halb gefüllt. Ein Siliziumatom wird immer nach Möglichkeiten suchen, seine letzte Schale aufzufüllen, und zu diesem Zweck wird es Elektronen mit vier benachbarten Atomen teilen. Das ist so, als ob jedes Atom seinen Nachbarn die Hand reicht, nur dass in diesem Fall jedes Atom vier Hände hat, die mit vier Nachbaratomen verbunden sind. So entsteht die kristalline Struktur, und diese Struktur ist für diese Art von PV-Zelle wichtig.

Das einzige Problem ist, dass reines kristallines Silizium ein schlechter Stromleiter ist, weil sich keines seiner Elektronen frei bewegen kann, im Gegensatz zu den Elektronen in optimaleren Leitern wie Kupfer. Um dieses Problem zu lösen, enthält das Silizium in einer Solarzelle Verunreinigungen, d. h. andere Atome, die absichtlich mit den Siliziumatomen vermischt werden, was die Funktionsweise ein wenig verändert. Normalerweise denken wir bei Verunreinigungen an etwas Unerwünschtes, aber in diesem Fall würde unsere Zelle ohne sie nicht funktionieren. Stellen Sie sich Silizium mit einem Phosphoratom hier und da vor, vielleicht eines auf eine Million Siliziumatome. Phosphor hat fünf Elektronen in seiner äußeren Schale, nicht vier. Es geht zwar immer noch eine Bindung mit seinen Silizium-Nachbarn ein, aber in gewisser Weise hat das Phosphoratom ein Elektron, mit dem es niemanden zum Händchenhalten hat. Es ist nicht Teil einer Bindung, sondern wird von einem positiven Proton im Phosphorkern gehalten.

Wenn man reinem Silizium Energie zuführt, zum Beispiel in Form von Wärme, kann dies dazu führen, dass sich einige Elektronen aus ihren Bindungen lösen und ihre Atome verlassen. Zurück bleibt in jedem Fall ein Loch. Diese Elektronen, freie Ladungsträger genannt, wandern dann wahllos im Kristallgitter umher und suchen sich ein anderes Loch, in das sie fallen und einen elektrischen Strom leiten können. In reinem Silizium gibt es jedoch so wenige von ihnen, dass sie nicht sehr nützlich sind.

Bei unserem unreinen Silizium, dem Phosphoratome beigemischt sind, sieht das anders aus. Es braucht viel weniger Energie, um eines unserer "zusätzlichen" Phosphorelektronen loszuwerden, weil sie nicht durch eine Bindung mit einem benachbarten Atom gebunden sind. Infolgedessen brechen die meisten dieser Elektronen frei, und wir haben viel mehr freie Ladungsträger als in reinem Silizium. Der Prozess des absichtlichen Hinzufügens von Verunreinigungen wird als Dotierung bezeichnet, und wenn es mit Phosphor dotiert ist, wird das resultierende Silizium wegen der vielen freien Elektronen als N-Typ ("n" für negativ) bezeichnet. N-dotiertes Silizium ist ein viel besserer Leiter als reines Silizium.

Der andere Teil einer typischen Solarzelle wird mit dem Element Bor dotiert, das nur drei statt vier Elektronen in seiner äußeren Schale hat, so dass P-Silizium entsteht. Anstatt freie Elektronen zu haben, hat P-Typ ("p" für positiv) freie Öffnungen und trägt die entgegengesetzte (positive) Ladung. 

Anatomie einer Solarzelle.

Bis jetzt waren unsere beiden separaten Siliziumstücke elektrisch neutral; der interessante Teil beginnt, wenn man sie zusammenfügt. Denn ohne ein elektrisches Feld würde die Zelle nicht funktionieren; das Feld entsteht, wenn das N-Typ- und das P-Typ-Silizium in Kontakt kommen. Plötzlich sehen die freien Elektronen auf der N-Seite alle Öffnungen auf der P-Seite, und es gibt einen wahnsinnigen Ansturm, sie zu füllen. Füllen alle freien Elektronen alle freien Löcher? Nein. Wenn sie das täten, wäre die ganze Anordnung nicht sehr nützlich. Direkt an der Verbindungsstelle vermischen sie sich jedoch und bilden eine Art Barriere, die es den Elektronen auf der N-Seite immer schwerer macht, auf die P-Seite überzuwechseln. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, und es entsteht ein elektrisches Feld, das die beiden Seiten trennt.

N-Typ ("n" für negativ) mit vielen freien Elektronen (freie Ladungsträger)
P-Typ ("p" für positiv) freie Öffnungen, die entgegengesetzte (positive) Ladung

Dieses elektrische Feld wirkt wie eine Diode, die es den Elektronen erlaubt (und sie sogar antreibt), von der P-Seite zur N-Seite zu fließen, aber nicht umgekehrt. Es ist wie ein Hügel - Elektronen können leicht den Hügel hinuntergehen (zur N-Seite), aber nicht hinaufsteigen (zur P-Seite).

Wenn Licht in Form von Photonen auf eine Solarzelle trifft, spaltet seine Energie Elektron-Loch-Paare auf. Jedes Photon mit genügend Energie setzt normalerweise genau ein Elektron frei, wodurch ebenfalls ein freies Loch entsteht. Wenn dies nahe genug am elektrischen Feld geschieht oder wenn freies Elektron und freies Loch zufällig in dessen Einflussbereich wandern, schickt das Feld das Elektron auf die N-Seite und das Loch auf die P-Seite. Dies führt zu einer weiteren Störung der elektrischen Neutralität, und wenn man einen externen Strompfad bereitstellt, fließen die Elektronen durch den Pfad zur P-Seite, um sich mit den Löchern zu vereinigen, die das elektrische Feld dorthin geschickt hat, und verrichten auf dem Weg Arbeit für uns. Der Elektronenfluss liefert den Strom, und das elektrische Feld der Zelle verursacht eine Spannung. Aus Strom und Spannung ergibt sich die Leistung, die das Produkt aus beiden ist.

Bevor wir eine Zelle wirklich nutzen können, fehlen noch ein paar Komponenten. Silizium ist ein sehr glänzendes Material, das Photonen abprallen lassen kann, bevor sie ihre Aufgabe erfüllt haben. Daher wird eine Antireflexionsbeschichtung aufgetragen, um diese Verluste zu verringern. Der letzte Schritt besteht darin, etwas zu installieren, das die Zelle vor den Elementen schützt - häufig eine Glasabdeckplatte. PV-Module werden in der Regel hergestellt, indem mehrere einzelne Zellen miteinander verbunden werden, um brauchbare Spannungs- und Stromwerte zu erzielen, und in einen stabilen Rahmen mit Plus- und Minuspolen eingebaut werden. 

Wie viel Energie des Sonnenlichts nimmt unsere PV-Zelle auf?

Leider wahrscheinlich nicht sehr viel. Im Jahr 2006 beispielsweise erreichten die meisten Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von etwa 12 bis 18 Prozent. Das modernste Solarmodulsystem dieses Jahres überwand schließlich die seit langem bestehende 40-Prozent-Grenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen - es erreichte 40,7 Prozent [Quelle: U.S. Department of Energy]. Warum ist es also eine solche Herausforderung, einen sonnigen Tag optimal zu nutzen? 

Energieverlust in einer Solarzelle.

Das sichtbare Licht ist nur ein Teil des elektromagnetischen Spektrums. Elektromagnetische Strahlung ist nicht monochromatisch - sie besteht aus einer Reihe verschiedener Wellenlängen und damit Energieniveaus.

Licht kann in verschiedene Wellenlängen aufgeteilt werden, die wir in Form eines Regenbogens sehen können. Da das Licht, das auf unsere Zelle trifft, Photonen mit einer großen Bandbreite an Energien enthält, haben einige von ihnen nicht genug Energie, um ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Sie gehen einfach durch die Zelle hindurch, als ob sie durchsichtig wäre. Wieder andere Photonen haben zu viel Energie. Nur eine bestimmte Energiemenge, gemessen in Elektronenvolt (eV) und definiert durch unser Zellmaterial (etwa 1,1 eV für kristallines Silizium), ist erforderlich, um ein Elektron zu lösen. Man nennt dies die Bandlückenenergie eines Materials. Wenn ein Photon mehr Energie hat als die erforderliche Menge, geht die zusätzliche Energie verloren. Es sei denn, ein Photon hat die doppelte erforderliche Energie und kann mehr als ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, aber dieser Effekt ist nicht signifikant. Allein durch diese beiden Effekte gehen etwa 70 % der Strahlungsenergie, die auf unsere Zelle trifft, verloren.

Warum können wir nicht ein Material mit einer wirklich niedrigen Bandlücke wählen, damit wir mehr der Photonen nutzen können? Leider bestimmt unsere Bandlücke auch die Stärke (Spannung) unseres elektrischen Feldes, und wenn sie zu niedrig ist, dann verlieren wir das, was wir an zusätzlichem Strom (durch die Absorption von mehr Photonen) gewinnen, durch eine geringe Spannung. Denken Sie daran, dass Leistung Spannung mal Strom ist. Die optimale Bandlücke, die diese beiden Effekte ausgleicht, liegt bei etwa 1,4 eV für eine Zelle aus einem einzigen Material.

Wir haben auch noch andere Verluste. Unsere Elektronen müssen von einer Seite der Zelle zur anderen durch einen externen Stromkreis fließen. Wir können die Unterseite mit einem Metall abdecken, was eine gute Leitung ermöglicht, aber wenn wir die Oberseite komplett abdecken, können die Photonen nicht durch den undurchsichtigen Leiter gelangen und wir verlieren unseren gesamten Strom (in einigen Zellen werden transparente Leiter auf der Oberseite verwendet, aber nicht in allen). Wenn wir unsere Kontakte nur an den Seiten der Zelle anbringen, müssen die Elektronen eine extrem lange Strecke zurücklegen, um die Kontakte zu erreichen. Denken Sie daran, dass Silizium ein Halbleiter ist - es ist nicht annähernd so gut wie ein Metall für den Stromtransport. Sein Innenwiderstand (der sogenannte Serienwiderstand) ist ziemlich hoch, und ein hoher Widerstand bedeutet hohe Verluste. Um diese Verluste zu minimieren, sind die Zellen in der Regel mit einem metallischen Kontaktgitter bedeckt, das die Strecke, welche die Elektronen zurücklegen müssen, verkürzt und nur einen kleinen Teil der Zelloberfläche bedeckt. Dennoch werden einige Photonen durch das Gitter blockiert, das nicht zu klein sein darf, da sonst sein eigener Widerstand zu hoch ist.

Nachdem wir nun wissen, wie eine Solarzelle funktioniert, wollen wir uns ansehen, was nötig ist, um ein Haus mit dieser Technologie zu versorgen. 

Solarstrom für ein Haus. 

Genauso wie Blumen am besten auf die strahlende Sonne ausgerichtet sind, gilt dies auch für Solarzellen. So wie Blumen am besten auf die strahlende Sonne ausgerichtet sind, so sind es auch Solarzellen.

Was müssten Sie tun, um Ihr Haus mit Sonnenenergie zu versorgen? Es ist zwar nicht so einfach, ein paar Module auf das Dach zu montieren, aber es ist auch nicht besonders schwierig. Zunächst einmal hat nicht jedes Dach die richtige Ausrichtung oder den richtigen Neigungswinkel, um die Energie der Sonne voll auszunutzen. Nicht nachgeführte PV-Anlagen in der nördlichen Hemisphäre sollten idealerweise genau nach Süden ausgerichtet sein, obwohl auch Ausrichtungen in östlichere und westlichere Richtungen funktionieren können, wenn auch mit mehr oder weniger großen Einbußen bei der Effizienz. Die Solarmodule sollten außerdem in einem Winkel geneigt sein, der dem Breitengrad des Gebiets so nahe wie möglich kommt, um das ganze Jahr über die maximale Energiemenge aufzunehmen. Eine andere Ausrichtung und/oder Neigung könnte verwendet werden, wenn Sie die Energieproduktion am Morgen oder am Nachmittag und/oder im Sommer oder im Winter maximieren möchten. Natürlich sollten die Module nie von Bäumen oder Gebäuden in der Nähe beschattet werden, egal zu welcher Tages- oder Jahreszeit. Wenn auch nur eine einzige Zelle eines PV-Moduls verschattet ist, kann die Stromerzeugung erheblich reduziert werden.

Wenn Sie ein Haus mit einem unverschatteten, nach Süden ausgerichteten Dach haben, müssen Sie entscheiden, welche Systemgröße Sie benötigen. Dies wird dadurch erschwert, dass die Stromerzeugung vom Wetter abhängt, das nie ganz vorhersehbar ist, und dass auch der Strombedarf schwankt. Glücklicherweise sind diese Hürden relativ leicht zu überwinden. Meteorologische Daten geben die durchschnittliche monatliche Sonneneinstrahlung für verschiedene geografische Gebiete an. Dabei werden Niederschläge und bewölkte Tage ebenso berücksichtigt wie die Höhenlage, die Luftfeuchtigkeit und andere subtilere Faktoren. Sie sollten für den ungünstigsten Monat planen, damit Sie das ganze Jahr über genügend Strom haben. Anhand dieser Daten und Ihres durchschnittlichen Haushaltsbedarfs (auf Ihrer Stromrechnung können Sie bequem ablesen, wie viel Energie Sie jeden Monat verbrauchen) können Sie mit einfachen Methoden ermitteln, wie viele PV-Module Sie benötigen. Sie müssen sich auch für eine Systemspannung entscheiden, die Sie steuern können, indem Sie entscheiden, wie viele Module Sie in Reihe schalten.

Solarenergie-Probleme lösen.

Der Gedanke, von den Launen des Wetters abhängig zu sein, begeistert die meisten Menschen wahrscheinlich nicht, aber es gibt drei Hauptoptionen, die sicherstellen, dass Sie auch dann noch Strom haben, wenn die Sonne nicht mitspielt. Wenn Sie völlig unabhängig vom Stromnetz leben möchten, aber nicht darauf vertrauen, dass Ihre PV-Paneele den gesamten Strom liefern, den Sie im Notfall benötigen, können Sie einen Notstromgenerator einsetzen, wenn die Solarenergie zur Neige geht. Das zweite autonome System ist die Energiespeicherung in Form von Batterien. Leider sind Batterien mit einem hohen Kosten- und Wartungsaufwand für ein PV-System verbunden, aber sie sind derzeit eine Notwendigkeit, wenn Sie völlig unabhängig sein wollen.

Die Alternative besteht darin, Ihr Haus an das Stromnetz anzuschließen, Strom zu kaufen, wenn Sie ihn brauchen, und ihn wieder zu verkaufen, wenn Sie mehr produzieren als Sie verbrauchen. Auf diese Weise fungiert das Versorgungsunternehmen als praktisch unendlicher Stromspeicher. Beachten Sie jedoch, dass die Vorschriften je nach Standort variieren und sich ändern können. Ihr örtliches Energieversorgungsunternehmen kann zur Teilnahme verpflichtet sein oder auch nicht, und der Rückkaufpreis kann stark variieren.

Wahrscheinlich benötigen Sie auch spezielle Geräte, um sicherzustellen, dass der Strom, den Sie dem Energieversorger verkaufen wollen, mit seinem eigenen kompatibel ist. Auch die Sicherheit ist ein Thema. Das Energieversorgungsunternehmen muss sicherstellen, dass Ihre PV-Anlage bei einem Stromausfall in Ihrer Nachbarschaft nicht weiterhin Strom in Leitungen einspeist, die ein Elektriker für tot hält. Dies ist eine gefährliche Situation, die als Inselbildung bezeichnet wird, die jedoch mit einem Anti-Inselbildungs-Wechselrichter vermieden werden kann.

Wenn Sie sich stattdessen für Batterien entscheiden, sollten Sie bedenken, dass diese gewartet und nach einer bestimmten Anzahl von Jahren ersetzt werden müssen. Die meisten Solarmodule halten in der Regel etwa 30 Jahre (und die Verbesserung der Langlebigkeit ist sicherlich ein Ziel der Forschung), aber Batterien haben einfach nicht so eine lange Lebensdauer [Quelle: National Renewable Energy Laboratory]. Batterien in PV-Systemen können aufgrund der gespeicherten Energie und der in ihnen enthaltenen säurehaltigen Elektrolyte auch sehr gefährlich sein, so dass Sie ein gut belüftetes, nichtmetallisches Gehäuse für sie benötigen.

Obwohl verschiedene Arten von Batterien verwendet werden, sollten sie alle die Eigenschaft haben, dass es sich um Deep-Cycle-Batterien handelt. Im Gegensatz zu Ihrer Autobatterie, bei der es sich um eine Batterie mit geringem Stromverbrauch handelt, können Deep-Cycle-Batterien einen größeren Teil ihrer gespeicherten Energie entladen und dennoch eine lange Lebensdauer aufweisen. Autobatterien entladen für eine sehr kurze Zeit einen hohen Strom - um Ihr Auto zu starten - und werden dann sofort wieder aufgeladen, wenn Sie fahren. PV-Batterien müssen im Allgemeinen über einen längeren Zeitraum (z. B. nachts oder während eines Stromausfalls) einen geringeren Strom entladen, während sie tagsüber aufgeladen werden. Die gebräuchlichsten Deep-Cycle-Batterien sind Blei-Säure-Batterien (sowohl verschlossen als auch belüftet) und Nickel-Cadmium-Batterien, die beide verschiedene Vor- und Nachteile haben. 

Fertigstellung Ihrer Solarstromanlage.

Die Verwendung von Batterien erfordert die Installation eines weiteren Bauteils, des Ladereglers. Batterien halten viel länger, wenn sie nicht überladen oder zu stark entladen werden. Das ist die Aufgabe eines Ladereglers. Sobald die Batterien vollständig geladen sind, lässt der Laderegler keinen Strom mehr von den PV-Modulen in die Batterien fließen. Sobald die Batterien bis zu einem bestimmten, durch die Messung der Batteriespannung kontrollierten Wert entladen sind, lassen viele Laderegler keinen weiteren Strom mehr aus den Batterien fließen, bis sie wieder aufgeladen sind. Der Einsatz eines Ladereglers ist für eine lange Lebensdauer der Batterien unerlässlich.

Ein weiteres Problem neben der Energiespeicherung besteht darin, dass der von den Solarmodulen erzeugte und aus den Batterien entnommene Strom nicht in der Form vorliegt, in der er von Ihrem Energieversorger geliefert oder von den elektrischen Geräten in Ihrem Haus verwendet wird. Der von einem Solarsystem erzeugte Strom ist Gleichstrom, daher benötigen Sie einen Wechselrichter, um ihn in Wechselstrom umzuwandeln. Wie bereits erwähnt, können einige Wechselrichter nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, sondern sind auch so konzipiert, dass sie vor einer Inselbildung schützen, wenn Ihre Anlage an das Stromnetz angeschlossen ist.

Mit den meisten großen Wechselrichtern können Sie die Funktionsweise Ihres Systems automatisch steuern. Einige PV-Module, die so genannten AC-Module, haben bereits einen Wechselrichter in jedem Modul integriert, so dass kein großer, zentraler Wechselrichter erforderlich ist und die Verkabelung vereinfacht wird.

Zusammen mit dem Montagematerial, der Verkabelung, den Anschlussdosen, der Erdung, dem Überstromschutz, den DC- und AC-Trennschaltern und anderem Zubehör haben Sie ein System. Sie müssen die elektrischen Vorschriften einhalten und es wird dringend empfohlen, dass ein lizenzierter Elektriker, der Erfahrung mit PV-Anlagen hat, die Installation vornimmt. Nach der Installation ist ein PV-System sehr wartungsarm (vor allem, wenn keine Batterien verwendet werden) und liefert 20 Jahre lang oder länger sauberen und leisen Strom. 

Entwicklungen in der Solarzellentechnologie.

Die Fragen der Kosteneffizienz haben zu endlosen Forschungsanstrengungen geführt, die darauf abzielen, neue Wege zu entwickeln und zu verfeinern, um die Solarenergie zunehmend wettbewerbsfähig gegenüber herkömmlichen Energiequellen zu machen.

Materialien und Eigenschaften.

Einkristallines Silizium: effizient, teuerer, hoher Wirkungsgrad
Polykristallines Silizium: günstiger in der Herstellung, weniger hoher Wirkungsgrad
Dünnschichtsolarzellen: flexibel in der Anwendung, günstiger in der Herstellung, weniger hoher Wirkungsgrad

Einkristallines Silizium ist zum Beispiel nicht das einzige Material, das in PV-Zellen verwendet wird. Polykristallines Silizium wird verwendet, um die Herstellungskosten zu senken, obwohl die daraus resultierenden Zellen nicht so effizient sind wie einkristallines Silizium. Die Solarzellentechnologie der zweiten Generation besteht aus so genannten Dünnschichtsolarzellen. Sie haben zwar auch einen geringeren Wirkungsgrad, sind aber einfacher und billiger in der Herstellung - und sie werden immer effizienter. Dünnschicht-Solarzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium (das keine kristalline Struktur hat), Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Diselenid und Cadmiumtellurid.

Eine weitere Strategie zur Steigerung der Effizienz besteht darin, zwei oder mehr Schichten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken zu verwenden. Bedenken Sie, dass je nach Material Photonen unterschiedlicher Energie absorbiert werden. Wenn man also Material mit höherer Bandlücke auf die Oberfläche schichtet, um energiereiche Photonen zu absorbieren (und gleichzeitig zulässt, dass Photonen mit niedrigerer Energie von dem darunter liegenden Material mit niedrigerer Bandlücke absorbiert werden), kann man einen wesentlich höheren Wirkungsgrad erzielen. Solche Zellen, so genannte Mehrfachzellen, können mehr als ein elektrisches Feld haben.

Ein weiteres vielversprechendes Entwicklungsfeld ist die konzentrierende Photovoltaik. Statt einfach nur einen Teil des Sonnenlichts, das zufällig auf die Erde fällt, aufzufangen und in Strom umzuwandeln, werden bei konzentrierenden PV-Systemen zusätzlich optische Geräte wie Linsen und Spiegel eingesetzt, um größere Mengen an Sonnenenergie auf hocheffiziente Solarzellen zu konzentrieren. Obwohl diese Systeme in der Regel teurer in der Herstellung sind, haben sie eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Solarzellenanlagen und fördern weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen.

All diese verschiedenen Versionen der Solarzellentechnologie haben Unternehmen dazu veranlasst, Anwendungen und Produkte zu entwickeln, die von solarbetriebenen Flugzeugen und weltraumgestützten Kraftwerken bis hin zu eher alltäglichen Gegenständen wie PV-betriebenen Vorhängen, Kleidern und Laptoptaschen reichen. Sogar die Miniaturwelt der Nanopartikel wird nicht ausgelassen, und Forscher erforschen sogar das Potenzial für organisch hergestellte Solarzellen. Aber wenn die Photovoltaik eine so wunderbare Quelle kostenloser Energie ist, warum läuft dann nicht die ganze Welt mit Sonnenenergie? 

Kosten der Solarenergie.

Solarzellen sind vielleicht noch etwas teuer, aber sie werden von Jahr zu Jahr billiger.

Manche Menschen haben ein falsches Bild von der Solarenergie. Es stimmt zwar, dass das Sonnenlicht kostenlos ist, aber der von PV-Anlagen erzeugte Strom ist es nicht. Bei der Entscheidung, ob sich die Installation einer PV-Anlage lohnt, spielen viele Faktoren eine Rolle.

Zunächst stellt sich die Frage, wo Sie wohnen. Menschen, die in sonnigen Gegenden der Welt leben, haben einen größeren Vorteil als diejenigen, die in weniger sonnenverwöhnten Gegenden ansässig sind, da ihre PV-Anlagen im Allgemeinen mehr Strom erzeugen können. Darüber hinaus sollten auch die Kosten für die Energieversorgung in einem bestimmten Gebiet berücksichtigt werden. Die Stromtarife sind von Ort zu Ort sehr unterschiedlich, so dass jemand, der weiter nördlich wohnt, eine Solaranlage in Erwägung ziehen sollte, wenn seine Tarife besonders hoch sind.

Als Nächstes sind da die Installationskosten zu nennen. Es wird eine ganze Menge Hardware benötigt. Die Installationskosten sind in der Schweiz vergleichsweise hoch. Je größer das System ist, desto weniger kostet es in der Regel pro Watt. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass viele Solaranlagen die Stromlast nicht zu 100 Prozent abdecken. Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass Sie trotzdem eine Stromrechnung haben werden, auch wenn diese sicherlich niedriger ausfallen wird, als wenn keine Solarpaneele installiert wären.

Trotz des hohen Anschaffungspreises gibt es mehrere Möglichkeiten, die Kosten für eine PV-Anlage zu senken, sowohl für Anwohner als auch für Unternehmen, die sich für die Umrüstung auf Solaranlagen entscheiden. Diese können in Form von Fördergeldern auf Bundes- und Kantonsebene, Rabatten von Versorgungsunternehmen und anderen Finanzierungsmöglichkeiten gewährt werden. Und je nachdem, wie groß die Solaranlage ist und wie gut sie funktioniert, kann sie sich durch den gelegentlichen Überschuss an Strom schneller amortisieren. Schließlich ist es auch wichtig, den geschätzten Wert des Hauses zu berücksichtigen. Es wird erwartet, dass die Installation einer PV-Anlage den Wert eines Hauses steigert.

Im Moment hat die Solarenergie noch Schwierigkeiten, mit den Energieversorgern zu konkurrieren, aber die Kosten sinken, da die Forschung die Technologie verbessert. Befürworter sind zuversichtlich, dass PV eines Tages sowohl in städtischen als auch in abgelegenen Gebieten kosteneffektiv sein wird. Ein Teil des Problems ist, dass die Herstellung in großem Maßstab erfolgen muss, um die Kosten so weit wie möglich zu senken. Diese Art von Nachfrage nach PV wird jedoch erst dann bestehen, wenn die Preise auf ein wettbewerbsfähiges Niveau fallen. Das ist eine Zwickmühle. Da jedoch die Nachfrage und der Wirkungsgrad der Module ständig steigen, die Preise sinken und die Welt sich zunehmend der Umweltprobleme bewusst wird, die mit konventionellen Energiequellen verbunden sind, wird die Photovoltaik wahrscheinlich eine vielversprechende Zukunft haben.