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Hallo Welt!

Wie „Silicon Ball“ zur BIPV beiträgt: Solarfassaden und -fenster

Der Markt für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) wird voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von um 20% von 2024 zu 2032. 

Obwohl c-Si- und Dünnschichtmodule derzeit die dominierenden Technologien auf diesem Markt sind, bestehen bei ihrer Anwendung in der Praxis noch immer Herausforderungen, die die Entwicklung der BIPV potenziell behindern können.

Die Entwicklung von „Silicon Ball“ stellt eine vielversprechende Lösung für BIPV dar, da sie Vorteile vereint, die anderen Technologien fehlen. Dieser Artikel führt Sie durch „Silicon Ball“ und bietet einen Vergleich mit anderen BIPV-Lösungen.

Transparentes Solarmodul auf Siliziumkugelbasis
Quelle: SOFTPV

Hintergrund der Siliziumkugel

Eingeschränkter Einsatz der herkömmlichen c-Si-Technologie

Obwohl die traditionelle c-Si-Technologie gut etabliert ist, ist sie weitgehend auf Solaranlagen auf Dächern im Bereich BIPV beschränkt. Diese Einschränkung ergibt sich hauptsächlich aus der Tatsache, dass c-Si-Materialien relativ dick sind (150-200 μm), wodurch sie für den Einsatz in Gebäudefassaden oder Fenstern ungeeignet sind, wo Transparenz ist eine entscheidende Voraussetzung.

Zudem lässt sich eine gute Transparenz nicht einfach durch eine Reduzierung der Dicke erreichen, denn zu dünne Scheiben aus diesem Material würden die Effizienz erheblich beeinträchtigen und die Platten würden bei mechanischer Beanspruchung oder Stößen anfälliger für Risse oder Brüche werden.

Begrenztes Angebot an CdTe-Technologie

Obwohl wir zu dem Schluss gekommen sind, In diesem Artikel Obwohl die CdTe-Technologie eine bewährte BIPV-Lösung für Gebäudefassaden oder Fenster ist, ist die Rohstoffversorgung im Vergleich zu Silizium relativ begrenzt. Dies könnte eine Herausforderung darstellen, insbesondere wenn ein groß angelegter Ausbau geplant ist.

Das Team hinter Silicon Ball

Da der BIPV-Markt weiter wächst, suchen Teams auf der ganzen Welt aktiv nach innovativen Lösungen, um die Herausforderungen zu bewältigen, die bei der Entwicklung von BIPV-Projekten auftreten.

Das Konzept der „Siliziumkugel“ wurde erstmals vom koreanischen Solartechnologie-Startup SOFTPV vorgeschlagen und umgesetzt.

Das 2017 gegründete Unternehmen wird von Dr. James Hyeonwoo Ahn geleitet, der über mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung in den Bereichen Solar- und Elektronikmaterialien verfügt. Seit seiner Gründung ist das Unternehmen spezialisiert auf siliziumbasierte Lösungen für BIPV. 

Der die Unterstützung Als Think Tank aus Professoren, Forschern und Fachleuten mit Doktortiteln in verschiedenen Bereichen, darunter Elektrotechnik, Materialwissenschaften und mehr, verfeinert SOFTPV seine auf Siliziumkugeln basierenden BIPV-Lösungen ständig und strebt ihre Kommerzialisierung an.

Was ist ein Siliziumball? Wie wird er hergestellt?

Wie das Unternehmen mitteilt, ist eine Silikonkugel ein kugelförmiges Sonnenteilchen aus Polysilizium hergestellt. 

Herstellung verschiedener Schichten

Der Herstellungsprozess umfasst das Schmelzen des mit Bor dotierten Polysiliziummaterials bei hohen Temperaturen und das anschließende Abkühlen unter kontrollierten Bedingungen, um Kugeln einer bestimmten Größe zu formen, die von 0.35 zu 1.8mm im Durchmesser. 

Als nächstes wird die n-Typ-Halbleiterschicht, die durch die Diffusion von Phosphoroxychlorid gebildet wird (POCl3), wird auf diese Kugeln aufgebracht. Diese Zugabe erzeugt in Kombination mit dem vorhandenen p-Typ-Material den pn-Übergang.

Anschließend wird eine Passivierungsschicht aufgetragen, um die Ladungsträgerrekombination zu verringern. Anschließend wird eine Antireflexionsschicht hinzugefügt, um die Lichtabsorption zu maximieren, ähnlich wie bei herkömmlichen c-Si-Panels.

Abschließend wird eine Schicht aus transparentem leitfähigem Oxid (TCO) hinzugefügt, um Strom zu sammeln, den Serienwiderstand zu verringern und die Gesamtleistung dieser Kugeln zu verbessern.

Bildung von Elektroden

Die Bildung der Elektroden dieser Siliziumkugeln ist ein wesentlich komplizierterer Prozess, da dabei ein Objekt mit einem Durchmesser von nur etwa 1 mm bearbeitet werden muss!

Zunächst wird eine Seite der Siliziumkugel aufgeschnitten und poliert. Die Mitte der polierten Oberfläche, also der p-Typ-Materialbereich, wird durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste und Durchführen einer aufwändigen Wärmebehandlung zur Anode (+) verarbeitet, während der äußere Rand durch ein ähnliches Verfahren zur Kathode (-) wird.

Das folgende Schema veranschaulicht die Positionen und Strukturen der Elektroden.

Elektroden einer Silizium-Solarkugel

Was ist die auf Siliziumkugeln basierende BIPV-Lösung?

Nach der Herstellung mehrerer Schichten und der Bildung von Elektroden entsteht eine vollständige Siliziumkugel. Im Wesentlichen besteht eine solche Kugel dient als Solarzelle entspricht denen in herkömmlichen, flachen c-Si-Panels.

Modulmontage

Genau wie herkömmliche Paneele müssen diese Silizium-Solarkugeln miteinander verbunden werden, um ein Gesamtsystem zu bilden, das bestimmte Leistungsabgaben liefert.

Bei BIPV-Anwendungen sollte ein Panel, das in der Fassade oder als Fensterglas verwendet wird, eine gewisse Transparenz aufweisen. Andernfalls wäre es sinnlos.

Diese Silizium-Solarkugeln sind auf besondere Weise miteinander verbunden, um Flexibilität und Transparenz zu gewährleisten.

Das Substrat, das zur Montage dieser Silikonkugeln verwendet wird, weist durch Aufdruck elektrische Schaltungsmuster auf, unabhängig davon, ob es sich um ein starres Laminat oder eine flexible Folie handelt.

Die Solarkugeln werden dann mithilfe der Oberflächenmontagetechnik (SMT)-Prozess. Der von den Siliziumkugeln erzeugte Strom fließt durch die gedruckte Schaltung, die in Reihen- und/oder Parallelschaltungen konfiguriert ist, um die erforderliche Spannung und Stromstärke zu liefern.

Erweiterte Funktionen

Die als Substrat verwendete Folie ist selbst transparent. Darüber hinaus kann die Gesamttransparenz eines solchen Solarmodultyps angepasst werden durch Kontrolle der Größe und des Abstands der Siliziumkugeln. Mit anderen Worten: Größere Kugeln und kleinerer Abstand führen zu einer höheren Energieausbeute, aber geringerer Transparenz und umgekehrt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen starren, flachen Substraten ist das in diesen Siliziumkugel-Solarmodulen verwendete Filmsubstrat biegsam und kann in maßgeschneiderte Form gebracht und mit Farbe eingefärbt werden. Diese Eigenschaften eröffnen enorme Möglichkeiten in BIPV-Anwendungen.

Darüber hinaus dient das mit PCB-Schaltungen bedruckte Substrat auch als Plattform und kann mit elektronischen Komponenten wie LEDs, Sensoren, Chips und Mikrobatterien ausgestattet werden, um ein intelligentes BIPV-Solarmodul zu erstellen. Diese Vielseitigkeit verleiht der Vorstellungskraft bei BIPV definitiv neue Dimensionen.

Auf Siliziumkugeln basierende BIPV im Vergleich zu anderen Lösungen

Zweifellos stellt diese auf Siliziumkugeln basierende BIPV-Lösung eine einzigartige Abkehr von anderen verfügbaren BIPV-Lösungen dar.

Zum einen stellt dieses Siliziumkugelmodul einen einzigartigen Ansatz dar, um siliziumbasierte Module transparent genug für den Einsatz in Gebäudefassaden und Fenstern zu machen. Das dreidimensionales Kugelformdesign sorgt für minimale Sichtbehinderung und bietet gleichzeitig eine maximale Oberfläche zur Absorption.

Dieser Ansatz steht in krassem Gegensatz zu dem bei CdTe-BIPV-Modulen verwendeten Ansatz. Letztere regulieren die Transparenz durch Kontrolle der Dicke oder Dichte ihrer durchgehenden Photovoltaikmaterialien. 

Und anders als Siliziumkugelmodule sind bei diesen transparenten CdTe-Solarmodulen die Photovoltaikschicht und die zugehörigen Schichten normalerweise zwischen zwei Hartglasscheiben eingebettet, sodass ein komplettes Modul entsteht. Sie werden im Allgemeinen für neue Fassaden oder Fenster eingesetzt oder als Ersatz für aktuelle Materialien verwendet.

Während sie technisch montiert und installiert werden können wie transparente CdTe BIPV-PaneeleDiese Siliziumkugel-Solarmodule bieten eine optimierte Lösung, da sie sich einfach an den Innenflächen von Fassaden und Fenstern anbringen lassen. Dieser Vorteil ermöglicht einen bemerkenswert nahtlosen Prozess zur Nachrüstung oder „Solarisierung“ bestehender Gebäudefassaden und Fenster.

Die Vor- und Nachteile dieser BIPV-Lösung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Siliziumkugelpaneele im Vergleich zu vorhandenen Lösungen für BIPV-Anwendungen eine Reihe von Vor- und Nachteilen aufweisen.

Vorteile von Siliziumkugel-Solarmodulen

  • Reichhaltiges Materialangebot: Im Gegensatz zu Cadmium und Tellur Das in CdTe-Platten verwendete Silizium für diese Siliziumkugel-Platten ist in großen Mengen vorhanden und legt damit den Grundstein für eine künftige Massenproduktion.
  • Vielseitigkeit: Die Transparenz und die Leistungsabgabe dieser Panels können durch Anpassen der Größe und des Abstands der Silizium-Solarkugeln angepasst werden. Durch den Einsatz modernster Schaltungsdrucktechnologie und flexibler Foliensubstrate können diese Panels problemlos an die individuellen Anforderungen verschiedener BIPV-Projekte angepasst werden.
  • Einfache Installation: Sie lassen sich ebenso wie transparente CdTe-Platten mühelos zusammenbauen und installieren, gehen aber noch einen Schritt weiter, indem sie die Umwandlung vorhandener Gebäudehüllen in Solargeneratoren ermöglichen, indem sie sich einfach an den Oberflächen anheften.
  • Intelligentes Upgrade: Durch die Integration intelligenter Elektronik auf ihrem Substrat werden sie zu einem All-in-One-Multifunktionsmodul, das für jede spezifische Anwendung wie Datenerfassung, Überwachung, IoT-Kommunikation und Signalisierung funktioniert.

Nachteile von Siliziumkugel-Solarmodulen

  • Zuverlässigkeit muss nachgewiesen werden: Im Großen und Ganzen wird diese Siliziumkugel-Solartechnologie noch weiterentwickelt und wartet auf einen Katalysator, der ihre Kommerzialisierung vorantreibt. Jede Manipulation dieser Kugeln mit einem Durchmesser von 0.35 bis 1.8 mm erfordert äußerst präzises Arbeiten. Im Vergleich zur bestehenden, etablierten transparenten CdTe-Panel-Technologie muss ihre Zuverlässigkeit noch durch umfangreiche Tests und verschiedene reale Anwendungen validiert werden.
  • Kosten: Selbst wenn diese Siliziumkugelmodule kommerziell erhältlich wären, wären sie zunächst teuer. Während dieser Zeit sind sie möglicherweise eher für Vorzeige- oder Demonstrationsprojekte geeignet als für typische Gebäude oder Strukturen.

Zusammenfassung

Trotz der Herausforderungen bleiben die Aussichten der Siliziumkugel-BIPV-Paneltechnologie vielversprechend.

Diese Technologie stellt eine innovative Möglichkeit dar, das reichlich vorhandene Photovoltaikmaterial zu nutzen. Um es noch einmal hervorzuheben: Die äußerst einfache Installation, die der Anbringung einer Glasfolie ähnelt, ist ein bisher beispielloser Vorteil im Bereich der BIPV-Panellösungen.

Allerdings ist seine Zuverlässigkeit ein großes Problem.

Wenn Sie nach einer zuverlässigen, bewährten Technologie suchen, die Ihnen große Flexibilität bei der Integration von Solarenergie in Ihre Fassaden oder Fenster bietet, sollten Sie über transparente CdTe-Platten nachdenken.

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