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Im vergangenen Jahr haben sich die Solarenergietechnologien rasant weiterentwickelt. Dies gilt natürlich in erster Linie für Photovoltaiktechnologien. Statistiken aus verschiedenen Quellen zufolge werden im Jahr 2024 etwa 2.000 TWh Strom durch Photovoltaik erzeugt, und der Anteil der Photovoltaik an der gesamten Erzeugungsmenge wird 7 % erreichen oder sogar überschreiten. Einerseits ist diese Dynamik für die Verbraucher von Vorteil, andererseits hat sie zu einer Überproduktion von Solarmodulen und einer Verschärfung des Wettbewerbs zwischen den Herstellern geführt. Wir habendies in unserer Kolumne, die der Analyse der Jahresabschlüsse führender Hersteller von Solarkomponenten gewidmet ist, wiederholt festgestellt
. Darüber hinaus hat das Wachstum der Solarenergie in einigen Regionen zu einer Verschärfung der Probleme mit der Stabilität der Stromnetze geführt. Auch die Probleme des Recyclings gebrauchter Solarmodule und die Umweltaspekte der Modulherstellung werden immer häufiger erwähnt, und die landwirtschaftlichen Erzeuger sind aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Platz zunehmend unzufrieden. Die meisten der aufgetretenen Probleme hängen auf die eine oder andere Weise mit dem niedrigen Kapazitätsfaktor der Photovoltaik zusammen, die in diesem Indikator den auf fossilen Brennstoffen basierenden Erzeugungsquellen deutlich unterlegen ist.
Natürlich können grundlegende Naturphänomene nicht aufgehoben werden, ebenso wie es unmöglich ist, Solarzellen nachts zum Laufen zu bringen. Die Steigerung der Effizienz von Solarzellen sowie die Ausstattung von Solarstationen mit Geräten zur Akkumulation und Speicherung von Energie sind jedoch Aufgaben, die für die moderne Industrie durchaus machbar sind. Die neuesten Erfolge im Zusammenhang mit Rekorden der Effizienz der Photovoltaiktechnologie werden vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) gesammelt und systematisiert . Unten finden Sie ein aktuelles Diagramm der bestätigten Forschungszelleneffizienz, das auf der NREL-Website veröffentlicht wurde.

   "This plot is courtesy of the National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO."

Im Jahr 2024 wurden im „forschungsintensivsten“ Segment der III-V-Mehrfachübergangszellen keine neuen Rekorde erzielt. Hier gehört die höchste Leistung bei der Solarzelleneffizienz immer noch dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme mit einem Wert von 47,6 % für Vierfachübergangszellen + Konzentrator. Neue Rekorde gegenüber dem Vorjahr wurden jedoch in den eher „industriellen“ Segmenten verzeichnet, die mit Perowskitzellen und Dünnschichtzellen zusammenhängen.
Perowskit gilt derzeit als das vielversprechendste Material für hocheffiziente Solarzellen. Perowskit bezieht sich auf eine Gruppe von Materialien mit einer speziellen ABX3-Kristallstruktur, wobei A und B Kationen und X ein Anion sind. Das erste Mineral mit einer solchen Struktur, das entdeckt wurde, war Calciumtitanat - CaTiO₃, das jedoch nicht zur Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet wird. Am häufigsten werden hierfür Perowskite verwendet, die Metalle und Halogene enthalten. Zu den wesentlichen Vorteilen von Perowskiten gehören eine relativ niedrige Anregungsenergie von Elektronen im Kristall unter dem Einfluss von Photonen mit der Bildung von freien Elektronen und Löchern, eine hohe Elektronendiffusionsrate und weite Bereiche der Sonnenlichtabsorption.
Am interessantesten sind die sogenannten Tandemstrukturen mit Schichten aus Perowskiten oder beispielsweise mit Silizium, die die Fähigkeit haben, verschiedene Lichtfarben zu absorbieren (oder unterschiedliche Bandlücken aufweisen). Solche Strukturen können die höchsten Wirkungsgrade aufweisen. Darüber hinaus sind für die Herstellung von Perowskiten keine Hochtemperaturoperationen und keine erheblichen Kapitalinvestitionen erforderlich.

Perowskite haben jedoch eine ziemlich lange Liste von Nachteilen. Unter ihnen ist als erstes die unzureichende Langzeit- und sogar Kurzzeitstabilität des Materials zu nennen. Berichte über eine Stabilität von über 1000 Stunden werden in der Praxis natürlich niemanden zufriedenstellen. Der Stabilitätsverlust tritt aufgrund der Einwirkung von Temperatur, Feuchtigkeit oder Sauerstoff ein. Ein weiteres Problem ist die Verwendung giftiger, seltener oder teurer Metalle in Perowskiten, wie Blei, Rubidium, Cäsium und Silber. Trotz der verfügbaren Berichte über den Bau und sogar die Inbetriebnahme von Perowskit-Produktionsanlagen ist das Problem der Skalierbarkeit von Labortechnologien noch lange nicht gelöst. Schließlich weisen einige Phasen der Perowskit-Solarzellenproduktion eine geringe Herstellbarkeit auf.

Im vergangenen September meldete die Huazhong University of Science and Technology in China, dass eine Rekordeffizienz von 28,49 % für eine rein perowskitbasierte Tandem-Solarzelle erreicht wurde. Die Zelle arbeitete 550 Stunden lang optimal und kontinuierlich. Den Forschern gelang es, durch spezielle Modifizierung der Zelloberfläche einen gemischten Sn-Pb-Perowskitfilm mit weniger Defekten zu erzeugen.

    Silicon disk with chips. Envato Elements. AX56N8LZYB

Die meisten Studien im Jahr 2024 befassten sich mit Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen. Der imSeptembererzielte Wirkungsgrad von 34,6 %  des führenden chinesischen Solarmodulherstellers Longi bleibt konkurrenzlos. Im Dezember 2023 entwickelte das Unternehmen eine Technologie mit einem Wirkungsgrad von 33,9 %, die „… auf einer zweischichtigen Passivierungsstrategie basiert, die eine effiziente Elektronenextraktion mit einer weiteren Unterdrückung der nichtstrahlenden Rekombination kombiniert.“ Die neue Arbeit war eine Fortsetzung früherer Studien. Auch die King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien hält in diesem Segment einen bemerkenswerten Rekord mit einem Wirkungsgrad von 33,2 % , der im Juni für ein Gerät mit gleicher Konfiguration auf 33,7 % verbessert wurde . Andere Forscher waren ebenso aktiv. Im Juni meldete das chinesische Unternehmen JinkoSolar einen Wirkungsgrad von 33,84 %für eine Tandem-Solarzelle auf Basis von Perowskit und einkristallinem Silizium mit n-Typ-TOPCon-Wafern. Bei der Arbeit wurden Innovationen in Technologien wie vollflächige Kontaktpassivierung, Perowskit-Grenzflächendefektpassivierung und Massendefektpassivierung genutzt, um den Wirkungsgrad der Tandemzelle zu verbessern. Der bisherige Rekord von JinkoSolar lag bei 33,24 %.

Für eine funktionierende Energiewirtschaft ist der tatsächliche Wirkungsgrad von Solarmodulen nicht weniger wichtig. Das chinesische Unternehmen Trina Solar hat einen Weltrekord für den Wirkungsgrad eines Solarmoduls aufgestellt – 25,44 % , bestätigt vom unabhängigen Labor CalLab am Fraunhofer ISE. Der Rekord wurde für ein großflächiges kristallines Silizium-Solarpanel mit Vorder- und Rückseitenkontaktstrukturen sowie für ein n-Typ-Vollpassiviertes Heteroübergangs-Solarpanel (HJT) aufgestellt. Der bisherige Rekord gehörte Longi und lag bei 25,40 %. Zuvor hatte Trina Solar einen Weltrekord von 27,08 % Wirkungsgrad für n-Typ-Vollpassivierte HJT-Zellen aufgestellt.

House roof covered with solar panels in winter with snow on top. Envato Elements. 7KYFTNX5QV

Wenn man über Perowskit nachdenkt, kann man nicht umhin, andere Errungenschaften von Forschern zu erwähnen, die auf die Ausweitung der Nutzung von Solarzellen abzielen.
Ein Forschungsteam des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea hat transparente Solarzellen verbessert. Diese vielversprechende Richtung hat einen besonderen kommerziellen Reiz. Die entwickelte Technologie ermöglicht es, viele Verbrauchergeräte mit natürlichem Sonnenlicht und transparentem Glas aufzuladen. Der Ansatz von UNIST basiert auf der Verwendung von kristallinem Silizium und einer Modularisierungsstrategie. Gleichzeitig wurde ein guter Wirkungsgrad von 15,8 % erreicht.

Mercedes-Benz hat die Entwicklung eines einzigartigen Solarlacks für Elektrofahrzeuge angekündigt. Der Photovoltaiklack in Form von Nanopartikeln wird mit geringem Verbrauch direkt auf die Karosserie aufgetragen, ermöglicht aber bei guter Beleuchtung das Aufladen der Batterie für eine Fahrt von bis zu 12.000 km. Wenn diese Technologie kommerziell genutzt wird, erhält die Photovoltaik-Solarenergie natürlich einen starken zusätzlichen Entwicklungsvektor.

Unter den technologischen Lösungen zur Verbesserung der Leistungsmerkmale von Solarmodulen ist die Entwicklung transparenter Silikon-Epoxid-Beschichtungen durch polnische Forscher hervorzuheben , die mit bi- und trifunktionalisierten Octasphärosilikaten modifiziert wurden. Mehrere Beschichtungsvarianten mit unterschiedlichen chemischen Kombinationen ermöglichten eine bis zu 70-mal höhere Einfrierverzögerung im Vergleich zu nicht modifizierten Beschichtungen.

Die Technologie der vertikalen Solarmodule wird zunehmend eingesetzt. Das auf diesen Bereich spezialisierte norwegische Unternehmen Over Easy Solar hat einen Weltrekord für vertikale Solarmodule auf Dächern aufgestellt – 248,4 kWp. Dieses Solarkraftwerk wurde auf dem Dach eines Fußballstadions installiert. Die vertikale Anordnung der Paneele ermöglicht eine deutliche Reduzierung der belegten Fläche, was besonders wichtig ist, wenn ein Solarkraftwerk auf den Dächern öffentlicher Gebäude platziert wird. Darüber hinaus arbeiten doppelseitige vertikale Solarpaneele unter dem Einfluss sowohl von direktem als auch von reflektiertem Licht. Die Gesamteffizienz eines solchen Designs ist durchaus vergleichbar mit den Optionen für den Einsatz teurer Tracker-Geräte. Die Rekordleistung norwegischer Spezialisten wird offensichtlich zu einem praktischen Maßstab für den weiteren Ausbau der Nutzung dieser Technologie.

Somit ist das Jahr 2024 ein Jahr voller neuer wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften im Zusammenhang mit der Steigerung der Effizienz von Solarenergiegeneratoren und der Ausweitung ihrer Verbreitung in verschiedenen praktischen Anwendungen.

Von der Redaktion                                                                                                                                                         Download PDF version