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Dünnschicht-Solarmodule: Technologien, Vor- und Nachteile und Verwendungen

Die Photovoltaik (PV)-Industrie wird von der traditionellen starren kristallinen Silizium (c-Si)-Technologie angeführt, die sich durch hohe Effizienz, niedrigen Preis und höhere Verfügbarkeit auszeichnet, aber dies ist nicht die einzige verfügbare Option. Dünnschicht-Solartechnologie enthält viele Funktionen, die es für bestimmte Anwendungen einzigartig machen die für herkömmliche c-Si-PV-Module nicht geeignet sind.

Auf dem Markt sind viele beliebte Dünnschicht-Solartechnologien erhältlich, darunter Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) und andere, wobei neue erforscht und entwickelt werden.

In diesem Artikel erfahren Sie die wichtigsten Dünnschicht-Solartechnologien, ihre Anwendungen, Vor- und Nachteile und weitere interessante Fakten zur Technologie.

Auf dem Dach installierte Dünnschicht-Solarmodule
By SolarShop Australien, Änderungen: Zuschneiden (CC BY-NC-SA 2.0

Was sind Dünnschicht-Solarmodule und warum sind sie für die PV-Industrie so wichtig?

Die Dünnschicht-Solarmodultechnologie besteht aus der Abscheidung extrem dünner Schichten (Nanometer bis zu Mikrometer) von Halbleitern auf Trägermaterialien, die den Körper für ein PV-Modul bilden. Diese Materialien erzeugen durch den photovoltaischen Effekt Strom aus Sonnenstrahlung.

Herkömmliche c-Si-PV-Module haben in der Vergangenheit die Dünnschicht-Solartechnologie mit höherer Effizienz zu einem angemessenen Preis in den Schatten gestellt, aber dies wurde gepaart in den vergangenen Jahren. Momentan, c-Si-Technologie bietet einen besseren Wirkungsgrad als die meisten Dünnschicht-Solarmodule zu einem guten Preis, aber die Dünnschicht-Solartechnologie eignet sich besonders für einzigartige Anwendungen in der PV-Industrie, die sie durch kristallines Silizium unersetzlich machen.

Ein klares Beispiel ist die Galliumarsenid (GaAs)-Technologie. Während es hohe Kosten aufweist, ist seine hohe Effizienz von bis zu 30 % unter Standardtestbedingungen (STC) und 68.9 % unter einzigartigen Laborbedingungen, macht es ideal für konzentrierte PV (CPV) und Weltraumanwendungen. Die Dünnschicht-Solartechnologie kann auch für flexible PV-Module verwendet werden, die für verschiedene Anwendungen, gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), tragbare Anwendungen und mehr geeignet sind.

Die beliebtesten Dünnschicht-Solarmodultechnologien und ihre Anwendungen

Die Dünnschicht-Solartechnologie ist ein Kompendium verschiedener Technologien, darunter Spitzentechnologien, beliebte Technologien, die in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden, und vielversprechende Technologien, die sich in der Entwicklung befinden. In diesem Abschnitt erläutern wir die wichtigsten Dünnschicht-Solartechnologien und ihre Anwendungen.

Galliumarsenid (GaAs) & Germanium (Ge): Die beliebteste Dünnschicht für konzentrierte PV (CPV) und Weltraumanwendungen

Galliumarsenid (GaAs) und Germanium (Ge) sind zwei der wichtigsten Dünnschicht-Solartechnologien, die in die Kategorie von fallen Multijunction III-V-Photovoltaik. Dies sind komplex entwickelte Module, die mit hergestellt werden mehrere Abzweigungen statt einer einzigen Abzweigung, entworfen, um die zu übertreffen 33.5 % Shockley-Quisser-Effizienzbegrenzung Set für Single-Bandgap-Solarzellen.

GaAs und Ge Dünnschicht-Solarzellen werden unter Verwendung von Gallium und Arsenid für GaAs und Germanium für die Ge-PV-Module hergestellt. Das III-V-Multijunction-Design in Kombination mit den Materialien vergrößert die Bandlücke, was zu einer höheren Elektronenmobilität und gesättigten Elektronengeschwindigkeit führt, wodurch diese Dünnschicht-PV-Module mehr Energie aus Photonen absorbieren und einen höheren Wirkungsgrad liefern können.

Das schwerer Rückschlag von GaAs- und Ge-Dünnschicht-Solarzellen sind ihre hohen Herstellungskosten und die Schwierigkeit, sie für die Massenproduktion zu züchten. Auch wenn dies eine Einschränkung darstellt, macht ihn sein hoher Wirkungsgrad von bis zu 68.9 % einzigartig geeignet für Weltraumanwendungen und konzentrierte Photovoltaik (CPV).

Cadmiumtellurid (CdTe) & Kupferindium-(Gallium)-Selenid (CIGS und CIS): Die beliebteste Dünnschicht für kommerzielle Anwendungen

Faltbare Solarmodule mit Dünnschichttechnologie
Faltbare Solarmodule mit Dünnschichttechnologien - Quelle: Reddit

Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Kupfer-Indium-Selenid (CIS) bilden eine weitere wichtige Gruppe von Dünnschicht-Solartechnologien. Der Rekordwirkungsgrad wird auf eingestellt 22.1 % für CdTe, 22.2 % für CIGS und 23.5 % für CIS. Sie verfügen auch über eine äußerst wettbewerbsfähige Kosten pro Watt ($/W).

Wie bei anderen Dünnschicht-Solartechnologien werden CdTe-, CIGS- und CIS-PV-Module durch Abscheidung dünner Schichten von Halbleitermaterialien hergestellt mit Techniken wie Sputtern, Verdampfung, elektrochemische Abscheidung und andere. Das Trägermaterial bestimmt die Flexibilität des Moduls und damit seiner Anwendung.

CdTe-, CIGS- und CIS-Dünnschicht-Solarmodule sind für Wohnanwendungen aufgrund einer geringeren Effizienz und eines größeren Platzbedarfs pro Watt nicht so beliebt wie kristallines Silizium, aber sie sind weniger teuer. Die niedrigeren Kosten pro Watt machen diese Technologien einzigartig geeignet für Solarkraftwerke, bei denen der Installationsraum keine Einschränkung darstellt, aber die Kosten auf ein Minimum reduziert werden müssen.

Der Einsatz in kommerziellen Anwendungen ist die wichtigste Rolle, die diese Dünnschicht-Solartechnologien in der PV-Industrie spielen. Technologien wie CdTe, CIGS und CIS werden verwendet, um elektronische Geräte mit eingebetteter Solarstromerzeugung herzustellen, tragbare PV-Module, BIPV, Sonnenschindeln, flexible PV-Module für mehrere Anwendungen und mehr.

In der Vergangenheit waren CdTe, CIGS und CIS nicht die einzigen populären Dünnschicht-Solartechnologien, die für kommerzielle Anwendungen verwendet wurden. Andere wichtige Technologien amorphes Silizium (a-Si) und mikromorphes Silizium (μ-Si) hielten einen bedeutenden Marktanteil, aber ein Versäumnis, die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken, führte dazu, dass sie allmählich vom Markt verschwanden.

Organische Dünnschicht-PV (OPV) und Perowskite: Weitere wichtige Dünnschichttechnologien in der Entwicklung

Dünnschicht-Solarmodule haben ihren Höhepunkt noch nicht erreicht, da die wissenschaftliche Gemeinschaft immer noch an der Erforschung und Entwicklung neuer und fortschrittlicherer Technologien arbeitet. Der aktuelle Forschungstrend umfasst organische Dünnschicht-PV (OPV) und Tandemzellen auf Perowskit-Basis, die beide eine vielversprechende Zukunft in der PV-Industrie haben.

OPVs werden unter Verwendung von zwei Halbleitermaterialien hergestellt zusammengebacken, wobei eine der Schichten ein leitfähiger Farbstoff oder ein organischer Halbleiter ist. Diese Technologie weist eine vielversprechende Zukunft auf, da sie niedrige Produktionskosten und eine hohe Stabilität bietet, und sie könnte eine schnelle Verschiebung auf dem PV-Markt der Zukunft bewirken, wenn die derzeitigen Einschränkungen überwunden werden.

Tandem-Solarzellen bestehen aus einer Dünnschicht-Solartechnologie, die Stapeln Perowskit-pn-Übergangsschichten auf der Basis von kristallinem Silizium oder anderen Dünnschicht-Solarzellen, die aufgrund ihrer potenziell niedrigen Kosten und ihres hohen Wirkungsgrads eine vielversprechende Zukunft für den Wettbewerb mit herkömmlichem kristallinem Silizium aufweisen. Der Rekordwirkungsgrad für Tandemsolarzellen ist derzeit auf 28.3 % festgelegt für c-Si-basierte Zellen und bei 26.2 % für CIGS-basierte Zellen.

Herausforderungen für Tandem-Perowskit-Solarzellen das Wasserempfindlichkeit, breite Bandlücke, unkontrollierte Kristallisation und andere. OPV-Zellen müssen ebenfalls entwickelt werden als großformatig Solarzellen und lösen ein paar andere Rückschläge, um auf den Markt zu kommen. In Zukunft könnten diese Dünnschicht-Solartechnologien starre und andere Dünnschicht-PV-Module ersetzen, durch höhere Flexibilität, niedrigere Kosten und geringeres Gewicht für PV-Module.

Vor- und Nachteile der Dünnschicht-Solartechnologie

Das Kennenlernen der Vor- und Nachteile der verschiedenen Gruppen der Dünnschicht-Solartechnologie ist eine großartige Möglichkeit, ihre einzigartigen Eigenschaften zu verstehen. In diesem Abschnitt sprechen wir jeden von ihnen an.

Dünnschicht-Solartechnologien wie GaAs und Ge können eine erstaunliche Leistung erbringen, jedoch zu höheren Kosten. Andere Dünnschicht-Solartechnologien wie CdTe, CIGS und CIS erfordern möglicherweise viel Platz, um das gleiche PV-System unterzubringen, das Sie mit c-Si-PV-Modulen installieren würden, aber eine bessere Kosteneffizienz und einzigartige Eigenschaften machen diese Technologien einzigartig qualifiziert für gewerbliche Anwendungen.

Wenn diese Technologien weiterentwickelt werden, werden zukünftige Durchbrüche erzielt könnten ihre Effizienz steigern und Kosten senken, sie populärer machen und ihren Marktanteil erhöhen. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Vor- und Nachteile für jede Gruppe von Dünnschicht-Solartechnologien:

VorteileNachteile
GaAs & GeHöherer Wirkungsgrad von bis zu 68.9 %Hohe Herstellungskosten
Niedrige BetriebstemperaturHöhere Degradation der Solarzelle
Stromerzeugung bei schlechten LichtverhältnissenPV-Module sind empfindlicher
Kleiner Temperaturkoeffizient
CdTe, CIGS und CISRobuste und widerstandsfähige MaterialienHohe Solarzellendegradation
Kleiner TemperaturkoeffizientGeringerer Wirkungsgrad als c-Si
Höhere Einsparungen bei Großinstallationen
Ideal für einzigartige kommerzielle Anwendungen
Möglichkeit, flexible Module herzustellen
OPV & Tandem-PerowskitPotenzial für höhere Effizienz als kristallines SiliziumDie meisten noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase
Niedrige ProduktionskostenOPV muss noch in großformatigen Solarzellen hergestellt werden
Tandem-Perowskit muss einige Rückschläge verkraften

GaAs und Ge gehören zu den besten und effizientesten Dünnschicht-Solartechnologien. Diese Dünnschicht-Solarmodule bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Leistung in Klimazonen mit niedrigen und hohen Temperaturen und sind einzigartig für CPV- und Weltraumanwendungen geeignet. Die Hauptnachteile dieser Technologien sind hohe Herstellungskosten und höher als die normale Degradation von Solarzellen.

CdTe-, CIGS- und CIS-Dünnschicht-Solartechnologien haben sich in der PV-Industrie bewährt. Sie sind zwar weniger effizient als kristallines Silizium, haben aber ein besseres Kosten-Effizienz-Verhältnis und eignen sich besser für Solarkraftwerke. Ihre einzigartigen Eigenschaften und niedrigen Kosten machen sie auch zu idealen Optionen für kommerzielle Anwendungen wie tragbare PV-Module, BIPV, flexible Solarmodule und andere.

Tandem-Solarzellen auf Basis von Perowskit und OPV haben ebenfalls viele Vorteile und ein großes Potenzial, die PV-Industrie zu beeinflussen. Der einzige Nachteil besteht darin, dass Forscher Lösungen für einige Rückschläge finden müssen, bevor diese Technologien vollständig auf den Markt kommen und für alle Arten von kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden können.

Markt für Dünnschicht-Solarmodule

GWp-Produktion für CIGS-, a-Si- und CdTe-Dünnschicht-Solarzellen
GWp-Produktion für CIGS-, a-Si- und CdTe-Dünnschicht-Solar – Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

Die PV-Industrie wird größtenteils von regiert monokristalline und polykristalline Siliziumtechnologie mit einem Produktionsanteil von rund 95 %. Auch die Dünnschicht-Solartechnologie spielt in der PV-Branche mit einem Produktionsanteil von 5% für den Einsatz in Solarkraftwerken, BIPV, Weltraumanwendungen, regulären PV-Dachanlagen und mehr.

Im Jahr 2021 wurde der Dünnschicht-Solarmarkt bewertet 12.2 Milliarden US-Dollar und 14.7 Milliarden US-Dollar bis 2022, oder etwa 5 % des gesamten PV-Marktes. Darüber hinaus wuchs in 3 Jahren von 2018 bis 2021 die weltweite Bruttoproduktion (GWp) für CdTe-Dünnschicht-Solarzellen dreifach, die weltweit am weitesten verbreitete Dünnschicht-Solartechnologie.

Da die Dünnschicht-Solartechnologie weiter wächst, wird erwartet, dass sich der Marktanteil dieser Technologie in der PV-Industrie noch weiter entwickeln wird. Eine Studie von Custom Market Insights schätzt, dass die Dünnschicht-Solarindustrie bis 2023 dies tun könnte um 74.82 % auf 25.7 Milliarden US-Dollar wachsen, fast 10 % des Marktanteils halten.

Die wichtigsten Anwendungen der Dünnschicht-Solartechnik

Dünnschicht-Solarmodule umfassen mehrere Technologien mit unterschiedlichen Merkmalen und Eigenschaften. In diesem Abschnitt erläutern wir wichtige Anwendungen für Dünnschicht-Solartechnologien wie GaAs, Ge, CdTe, CIGS und CIS.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) kann für Fassaden, Dächer und Verglasungen eingesetzt werden. Diese Anwendung ersetzt das Dach, die Fenster (Verglasung) und die Fassade jedes Gebäudes mit ästhetisch überlegen Dünnschicht-Solar-PV-Module, die vollständig in das Design des Gebäudes integrieren, wodurch es über die Kapazität verfügt, Solarstrom für den Eigenverbrauch oder die Einspeisung in das Netz zu erzeugen.

Der Return on Investment (ROI) für BIPV lässt sich grob abschätzen 10 bis 15 Jahre, abhängig von den Besonderheiten des Systems und des Standorts. BIPV-Systeme können dauern bis zu 30 Jahren, die den größten Teil oder die gesamte Energie liefern, die für den Betrieb eines Gebäudes erforderlich ist. Beliebte Technologien, die für BIPV verwendet werden, umfassen CdTe, CIGS und CIS.

Konzentrierte Photovoltaik (CPV)-Anwendungen

Niedrig- bis hochkonzentrierte Photovoltaik oder CPV verwendet optische Geräte, um Sonnenlicht auf die Oberfläche von PV-Modulen zu konzentrieren. CPV kann mit jedem Solarmodul verwendet werden, aber hocheffiziente Dünnschicht-Solarmodule wie GaAs und Ge sind für diese Anwendungen besser geeignet, da ein PV-Modul produzieren kann 30 % bis 40 % mehr Energie als unter normalen Bedingungen.

Raumfahrtanwendungen

Raumfahrzeuge wie Satelliten, Raumstationen und Raketen sind Strahlung ausgesetzt und können mit begrenztem Gewicht in den Weltraum transportiert werden, wodurch hocheffiziente und leichte Dünnschicht-PV-Module wie GaAs und Ge für diese Anwendungen einzigartig geeignet sind. Obwohl es sich um teure Technologien handelt, ist es kosteneffizienter, als schwerere Module in den Weltraum zu befördern.

Tragbare Anwendungen

Dünnschicht-Solartechnologien wie CdTe, CIGS und CIS zeichnen sich durch Robustheit, Flexibilität, niedrige Kosten und hohe Effizienz aus, wodurch sie sich besser für tragbare Anwendungen eignen. Einige davon sind faltbare Dünnschicht-Solarmodule, Ladegeräte für Solartelefone, Solartaschenlampen, Geräte im Allgemeinen mit eingebetteten Solarzellen und mehr. Zukünftige tragbare Anwendungen könnten Solar-Smartphones umfassen.

Anwendungen für öffentliche Geräte/Geräte

Regierungen und lokale Behörden nutzen die Dünnschicht-Solartechnologie auch, um Geräte und Ausrüstungen für öffentliche Anwendungen zu installieren, sie vom Stromnetz unabhängig zu machen und ihre Stromverbrauchskosten zu senken. Einige dieser Anwendungen umfassen öffentliche Wi-Fi-Router mit Solarmodulen, Ampeln, die mit Dünnschicht-Solarmodulen betrieben werden, SolarstraßenlaternenUnd vieles mehr.

Fahrzeuganwendungen

Auch Boote, Wohnmobile, Busse und andere Fahrzeuge nutzen die Sonnenenergie dank der Dünnschicht-Solartechnologie. Einige Fahrer tragen tragbare Dünnschicht-Solarmodule in ihren Fahrzeugen, während andere noch weiter gehen und flexible Module über dem Bug von Booten, Motorhauben oder Dächern von Wohnmobilen und mehr installieren.

PV-Anlagen auf dem Dach

Dünnschicht-PV-Installationen sind nicht so beliebt wie c-Si-Anlagen, aber es gibt sie immer noch. Einige Anwendungen beinhalten auf Dünnschichttechnologie basierende Solarschindelinstallationen und PV-Installation über Geschäftsgebäuden, aber meistens Dünnschicht-Solarparks in Versorgungs- und Industrieanlagen, wo niedrigere Kosten wichtig sind und der Platz keine Einschränkung darstellt.

Schlusswort: Zukunft und Grenzen der Dünnschicht-PV-Technologie

Das Verständnis der Grenzen und der erwarteten Zukunft der Dünnschicht-Solartechnologie kann hilfreich sein, um zu bestimmen, wie sich dieser Zweig der PV-Industrie entwickeln wird. Beispielsweise hat die a-Si-Dünnschicht-Solartechnologie Effizienz- und Kosteneinbußen nicht überwunden und es geschafft ausschalten aus dem PV-Markt in den Vorjahren. Es gibt auch Bedenken bzgl Giftstoffe und Materialknappheit zu Dünnschicht-Solarprodukten.

Überraschenderweise gibt es auch für Dünnschicht-Solartechnologien interessante Neuigkeiten.

Ein wichtiger ist, dass bestimmte Dünnschicht-Solartechnologien wie GaAs zukünftige Anwendungen haben könnten, die über den Boden der Solarenergieerzeugung hinausgehen und mit der Verwendung von Optiken das Terrain der Energieübertragung betreten. Darüber hinaus könnten in Zukunft Dünnschicht-Solartechnologien unter Verwendung neuer Materialien entwickelt werden.

Es wurde geschätzt, dass die Dünnschicht-Solartechnologieindustrie wird bis 10 um rund 2030 % wachsen. Mit Durchbrüchen könnte die Zukunft der Dünnschicht-Solartechnologie noch heller erstrahlen, da sie weiterentwickelt wird und einen höheren Marktanteil in der PV-Industrie einnimmt.

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