Kristallines Silizium (c-Si)

Dies ist die am weitesten verbreitete Technologie, die zur Herstellung von photovoltaischen Zelltypen verwendet wird, die heute etwa 90 % des Marktes ausmachen. Kristalline Photovoltaik-Typen werden aus Silizium hergestellt, das zuerst geschmolzen und dann zu Barren oder Gussteilen aus reinem Silizium kristallisiert wird. Dünne Siliziumscheiben, Wafer genannt, werden aus einem Silizium-Einkristall (monokristallin) oder aus einem Block von Siliziumkristallen (polykristallin) geschnitten, um einzelne Zellen herzustellen. Der Umwandlungswirkungsgrad für diese Art von Photovoltaikzellen liegt zwischen 10 % und 20 %.

• Monokristallines Silizium ist eine Art von photovoltaischem Zellmaterial, das aus einer einkristallinen Siliziumstruktur hergestellt wird, die eine einheitliche Form hat, da die gesamte Struktur aus demselben Kristall gezüchtet wird. Hochreines Silizium wird in einem Tiegel geschmolzen.

  Polykristalline Siliziumzelle

  In dieses geschmolzene Silizium wird ein einkristalliner Siliziumkeim getaucht und wird langsam aus der Flüssigkeit herausgezogen, wodurch ein Einkristallblock entsteht.

  Der Barren wird dann in sehr dünne Wafer oder Scheiben geschnitten, die dann poliert, dotiert, beschichtet, miteinander verbunden und zu Modulen und schließlich zu einem Photovoltaik-Array zusammengesetzt werden. Diese Arten von Photovoltaikzellen werden auch häufig beim Bau von Photovoltaikmodulen verwendet.

  Im Vergleich zu nichtkristallinen Zellen ist die einheitliche molekulare Struktur des Siliziumwafers ideal für die Übertragung loser Elektronen durch das Material, was zu einem High führt Effizienz der Energieumwandlung. Die Umwandlungseffizienz für eine monokristalline Zelle liegt zwischen 15 und 20 %.

  Sie sind nicht nur energieeffizient, monokristalline Photovoltaikzellen sind aufgrund ihrer Waferdicke auch äußerst zuverlässig für Stromanwendungen im Freien. Um jedoch eine effektive PV-Zelle herzustellen, muss das Silizium “dotiert” mit anderen Elementen, um die erforderlichen leitfähigen Schichten vom N-Typ und P-Typ herzustellen.

• Polykristallines Siliziumauch multikristallines Silizium genannt, wird zu einem Siliziumblock gegossen. Die Silizium-Molekülstruktur besteht aus mehreren kleineren Gruppen oder Kristallkörnern, die Grenzen zwischen sich einführen. Polykristalline PV-Zellen sind weniger energieeffizient als die vorherigen monokristallinen Silizium-PV-Zellen, da diese Grenzen den Elektronenfluss durch sie einschränken, indem sie die negativen Elektronen dazu anregen, sich mit den positiven Löchern zu rekombinieren, wodurch die Leistungsabgabe der Zelle verringert wird.

  Das hat zur Folge, dass eine polykristalline PV-Zelle nur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 10 bis 14 % hat. Diese Arten von Photovoltaikzellen sind jedoch aufgrund ihrer geringeren Herstellungskosten viel kostengünstiger in der Herstellung als das entsprechende einkristalline Silizium.

Dünnschicht Solarzelle

Dünnschicht-Solarzellensind weitere photovoltaische Zelltypen, die ursprünglich für Weltraumanwendungen entwickelt wurden und ein besseres Verhältnis von Leistung zu Größe und Gewicht im Vergleich zu den bisherigen kristallinen Siliziumgeräten aufweisen. Wie der Name schon sagt, wird Dünnschicht-Photovoltaik durch Drucken oder Sprühen einer sehr dünnen Halbleiterschicht aus photovoltaischem Siliziummaterial auf ein Trägersubstrat aus Glas, Metall oder Kunststofffolie hergestellt.

Durch das Auftragen dieser Materialien in dünnen Schichten ist die Gesamtdicke jeder Photovoltaikzelle wesentlich geringer als bei einer entsprechenden geschnittenen kristallinen Zelle, daher der Name „Dünnschicht“. Da die in diesen Arten von Photovoltaikzellen verwendeten PV-Materialien direkt auf ein Glas- oder Metallsubstrat gesprüht werden, ist der Herstellungsprozess daher schneller und billiger, was die Dünnschicht-PV-Technologie für den Einsatz in einem Heimsolarsystem rentabler macht, da ihre Amortisationszeit kürzer ist.

Obwohl Dünnschichtmaterialien eine höhere Lichtabsorption aufweisen als äquivalente kristalline Materialien, leiden Dünnschicht-PV-Zellen aufgrund ihrer Nicht-Einkristallstruktur unter einer schlechten Zellumwandlungseffizienz, was größere Zellen erfordert. Zu den Halbleitermaterialien, die für die Dünnschichttypen von Photovoltaikzellen verwendet werden, gehören: Cadmium-Tellurid, amorphes Silizium und Kupfer-Indium-diSelenid oder CIS.

• Dünnschichtzelle

  Cadmiumtellurid (CdTe)ist ein polykristallines Halbleitermaterial aus Cadmium und Tellur. Dünnfilm-Cadmiumtellurid hat einen hohen Lichtabsorptionsgrad, sodass die erforderliche Menge an CdTe sehr gering sein kann, da weniger als 1,0 Mikrometer Halbleitermaterial benötigt werden, um Sonnenlicht effektiv zu absorbieren, damit das Solargerät funktioniert.

  Obwohl der Prozess des Sprühens oder Druckens des dünnen Films relativ einfach ist, was die Herstellung dieser Art von Photovoltaikzellen billig macht, kann das Hauptmaterial Cadmium, ein giftiges Schwermetall, die Umwelt verschmutzen, wenn die Zelle beschädigt oder kaputt ist. Ein weiterer Nachteil dieser Art von Photovoltaikzellen ist, dass der Umwandlungswirkungsgrad für eine Cadmium-Tellurid-Photovoltaikzelle mit weniger als 10 % gering sein kann.

• Amorphes Silizium (a-Si)ist eine nicht kristalline Form von Silizium, die in Taschenrechnern, Unterhaltungselektronik und Solargartenprodukten weit verbreitet ist, die einen kleinen Strom bei niedriger Spannung benötigen. Von den verschiedenen verfügbaren Arten von Photovoltaikzellen hat amorphes Silizium die höchste Lichtabsorption, die über 40 Mal höher ist als die von kristallinem Silizium. Der Vorteil davon ist, dass eine viel dünnere Schicht aus amorphem Siliziummaterial erforderlich ist, um eine Dünnschicht-PV-Zelle herzustellen, wodurch die Herstellungskosten und der Preis reduziert werden.

  Amorphe Siliziumzellen haben verschiedene Vor- und Nachteile. Auf der positiven Seite kann amorphes Silizium auf einer Vielzahl von kostengünstigen starren und flexiblen Substraten wie Polymeren, dünnen Metallen und Kunststoffen sowie getöntem Glas für die Gebäudeintegration abgeschieden werden. Auf der Minusseite sind jedoch zwei der Hauptnachteile von amorphem Silizium (a-Si) seine sehr niedrige Umwandlungseffizienz, die im Neuzustand zwischen 7 und 9 % liegt und sich innerhalb weniger Monate nach Sonneneinstrahlung auf weniger als 5 verschlechtert %.

• Kupfer-Indium-diSelenid (CIS) ist eine andere Art von polykristallinem Halbleitermaterial, das aus Kupfer, Indium und Selen (CuInSe2) besteht. Diese Dünnfilm-Kupfer-IndiumdiSelenid-Typen von Photovoltaikzellen können Umwandlungswirkungsgrade von fast 10 % erzeugen, fast doppelt so hoch wie die von amorphem Silizium, ohne dass sie aufgrund ihres dickeren Films unter den gleichen Abbauproblemen im Freien leiden. Außerdem sind CIS-Zellen eine der lichtabsorbierenden Halbleiterverbindungen, die bis zu 90 % des Sonnenspektrums absorbieren.

  Obwohl Kupfer-Indium-Diselenid-CIS-Zellen effizient sind, macht die Komplexität der Formulierung der Halbleiterverbindung ihre Herstellung schwierig und teuer. Außerdem ist Indium aufgrund seiner begrenzten Verfügbarkeit ein relativ teures Material, bei dem Sicherheitsprobleme bei der Herstellung ein Problem darstellen, da Selenwasserstoff ein extrem giftiges Gas ist.

• Kupfer-Indium-Gallium-diSelenid (CIGS)ist eine andere Art von Photovoltaikzelle. Es ist im Grunde ein polykristallines Dünnfilmmaterial vom P-Typ, das auf dem früheren Halbleitermaterial Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) basiert. Durch Zugabe geringer Mengen der Verbindung Gallium (Ga) entsteht aus der gleichen Menge Sonnenlicht bei einer Leerlaufspannung von ca. 0,7 Volt eine Photovoltaikzelle mit einem höheren Umwandlungswirkungsgrad von ca. 12 %.

  Dies liegt daran, dass Gallium, das bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit ähnlich Quecksilber ist, die lichtabsorbierende Bandlücke der Zelle vergrößert, die dem Sonnenspektrum besser entspricht, wodurch ihre Leitfähigkeit verbessert wird, sodass sich Elektronen frei durch die Zelle zu den Elektroden bewegen können .

Andere Arten von Photovoltaikzellen

Neben den oben erwähnten häufig verwendeten Arten von Photovoltaikzellen, die etwa 95 % ausmachen Auf dem kommerziellen Markt werden derzeit andere Arten von Photovoltaikzellen entwickelt, darunter:

• Multijunction PV Cells – Dies sind Arten von Photovoltaikzellen, die darauf ausgelegt sind, die Gesamtumwandlungseffizienz der zu maximieren Zelle, indem Sie ein mehrschichtiges Design erstellen, bei dem zwei oder mehr PV-Übergänge übereinander geschichtet sind. Die Zelle besteht aus verschiedenen Halbleitermaterialien in Dünnfilmform für jede einzelne Schicht.

  Der Vorteil davon ist, dass jede Schicht Energie von jedem Photon aus einem bestimmten Teil des Lichtspektrums extrahiert, das die Zelle bombardiert. Diese Schichtung der PV-Materialien erhöht die Gesamteffizienz und reduziert die Verschlechterung der Effizienz, die bei standardmäßigen amorphen Siliziumzellen auftritt.

• Farbstoffempfindliche PV-Zellen – Diese Art von Technologie gilt als die 3. Generation von Solarzellen. Anstatt die Festkörper-PN-Übergangstechnologie zu verwenden, um Photonenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, wird ein Elektrolyt, eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Feststoff verwendet, um eine photoelektrochemische PV-Zelle herzustellen. Diese photovoltaischen Zelltypen werden unter Verwendung mikroskopisch kleiner Moleküle eines lichtempfindlichen Farbstoffs auf einem nanokristallinen oder Polymerfilm hergestellt.

  Die vom Farbstoff absorbierte Photonenlichtenergie setzt Elektronen in das Leitungsband frei, wodurch ein Stromfluss durch den Halbleiter verursacht wird. Der Vorteil einer farbstoffempfindlichen nanokristallinen photoelektrochemischen Photovoltaikzelle besteht darin, dass der Farbstoff auf jede beliebige Oberfläche siebgedruckt werden kann, was Umwandlungseffizienzen von etwa 10 % erzeugt.

• 3D-Photovoltaikzellen – Diese Art von Photovoltaikzelle verwendet eine einzigartige dreidimensionale Struktur, um die Photonenlichtenergie aus allen Richtungen zu absorbieren und nicht nur von oben wie bei konvektiven flachen PV-Zellen. Die Zelle verwendet eine 3D-Anordnung von molekularen Miniaturstrukturen, die so viel Sonnenlicht wie möglich einfangen, wodurch ihre Effizienz und Spannungsabgabe gesteigert und gleichzeitig ihre Größe, ihr Gewicht und ihre Komplexität reduziert werden.

Photovoltaiktypen – Zusammenfassung

Alle Photovoltaikzellen (PV) erzeugen Strom, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt werden, indem sie Photonen in Elektronen umwandeln, ohne Umweltprobleme wie Umweltverschmutzung und Abfall zu verursachen. Diese Photovoltaik (PV)-Zellen bestehen aus speziellen Materialien, die Halbleiter genannt werden, wie Silizium (Si), das derzeit am häufigsten verwendet wird.

Kristallines Silizium war in den letzten zwei Jahrzehnten das Arbeitspferd der PV-Zellen, und tatsächlich bestehen über 95 % der weltweit produzierten Solarzellen aus kristallinem Silizium. Jüngste Entwicklungen in der Solarzellentechnologie haben jedoch Dünnschicht- und andere Arten von Photovoltaikzellen mit höheren Umwandlungswirkungsgraden hervorgebracht.

Es gibt viele verschiedene „Photovoltaiktypen“. auf dem Markt erhältlich, aber eine einzelne Photovoltaik-Solarzelle produziert weniger als ein paar Watt Leistung, mag ausreichen, um einen Taschenrechner oder eine Armbanduhr mit Strom zu versorgen, aber um keinen sinnvollen Solarstrom zu erzeugen, den wir individuell als alternative Energiequelle nutzen können Solarzellen müssen miteinander kombiniert werden, um Module, Paneele oder große Solaranlagen zu erstellen, und dies wird im nächsten Tutorial näher erläutert.

Im nächsten Tutorial über “Solarenergie” werden wir das tun Schauen Sie sich an, wie wir diese einzelnen Photovoltaikzellen miteinander verbinden können, um ein größeres Solar-Photovoltaik-Panel herzustellen, um höhere Spannungen und Ströme zu erzeugen.