Diese Arbeit gibt einen Überblick über die verschiedenen Zelltechnologien, die bereits jetzt eingesetzt oder in Zukunft in Modulen zu finden sein werden. Hocheffizienzzellen, die beispielsweise für Weltraumaktivitäten ausgelegt sind, werden in dieser Arbeit nicht behandelt. Um die Zelltechnologien besser vergleichen zu können, wird zudem ein Vergleich unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen durchgeführt. Die Gegenüberstellung der Module verfolgt das Ziel, die beste Zelltechnologie unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten, mittels der Betrachtung einer PV-Freiflächenanlage an drei verschiedenen Standorten, quantitativ zu ermitteln.
VIERHUNDERT PARTS PER MILLION – das ist die Schwelle der CO2-Konzentration, die im Mai 2013 nach mehr als 800 000 Jahren erstmals überschritten wurde. Dieser "Negativ-Effekt" der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen ist, neben der daraus auch resultierenden Erderwärmung, nur einer von vielen Gründen für die Gesellschaft und die Politik, emissionsarme erneuerbare Energien immer mehr in den Fokus zu rücken. Neben dem Einsatz von Windkraftanlagen als alternative Energiequelle steigt die Anzahl der installierten Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren weltweit. Dies ist auch den kontinuierlich verbesserten und modifizierten Solarzellentechnologien zu verdanken. Ein weiteres wichtiges Argument, das für die Nutzung der Solarenergie spricht, ist die hohe und unbegrenzte Verfügbarkeit. Keine andere Energiequelle liefert so viel Energie wie die Sonne.
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation und Ziel der Arbeit
2 Markt und Stromgestehungskosten der Photovoltaik
3 Theoretische Grundlagen und Basisgrößen
3.1 Globalstrahlung
3.2 Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle
3.3 Verluste in der realen Solarzelle
3.4 Standard Test Conditions (STC)
3.5 Normal Operating Cell Temperature (NOCT)
3.6 Temperaturkoeffizient
3.7 Performance Ratio
3.8 Degradation von Modulen
4 Vorstellung der Zelltechnologien
4.1 Kristalline Silizium-Technologien
4.1.1 Monokristalline Solarzelle
4.1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.1.1.2 Herstellung
4.1.2 Multikristalline Solarzelle
4.1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.1.2.2 Herstellung
4.2 Dünnschicht-Technologien
4.2.1 Amorphe Siliziumsolarzelle
4.2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.2.1.2 Herstellung
4.2.2 CIS und CIGS Solarzelle
4.2.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.2.2.2 Herstellung
4.2.3 Cadmium-Tellurid Solarzelle
4.2.3.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.2.3.2 Herstellung
4.3 Weitere Zelltechnologien
4.3.1 Farbstoffsolarzelle
4.3.1.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.3.1.2 Herstellung
4.3.2 Organische Solarzelle
4.3.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.3.2.2 Herstellung
4.3.3 Perowskit-Solarzelle
4.3.3.1 Aufbau und Wirkungsweise
4.3.3.2 Herstellung
4.4 Modifizierte Zelltechnologien
4.4.1 PERC-Zelle
4.4.2 TOPCon-Zelle
4.4.3 Punktkontaktzelle
4.4.4 Stapelzelle
4.4.5 HIT/HJT-Zelle
4.4.6 Bifaziale Module
4.5 Wichtige Vor- und Nachteile der Technologien
5 Technischer und wirtschaftlicher Vergleich von PV-Modulen
5.1 Vorgehensweise
5.2 Vorstellung der Module
5.3 Technische Vergleichsparameter
5.4 Wirtschaftliche Vergleichsparameter
5.5 Modulvergleich mit tabellarischer Übersicht
5.6 Sensitivitätsanalyse
6 Fazit und Ausblick
7 Anhang
7.1 Abkürzungsverzeichnis
7.2 Formelverzeichnis
7.3 Tabellenverzeichnis
7.4 Abbildungsverzeichnis
7.5 Datenblätter
8 Quellen
Zielsetzung und Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, verschiedene Solarzellentechnologien zu analysieren und einen quantitativen technischen sowie wirtschaftlichen Vergleich dieser Technologien anhand einer PV-Freiflächenanlage an drei unterschiedlichen geographischen Standorten durchzuführen.
- Grundlagen der Photovoltaik und physikalische Funktionsweisen von Solarzellen.
- Detaillierte Vorstellung etablierter und innovativer Zelltechnologien, von kristallinem Silizium bis zu Perowskit-Zellen.
- Modellierung von Energieerträgen unter Berücksichtigung klimatischer Standortfaktoren.
- Wirtschaftliche Bewertung und Kalkulation maximaler Modulpreise unter gegebenen Stromgestehungskosten.
- Sensitivitätsanalyse der Einflussgrößen auf die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikmodulen.
Auszug aus dem Buch
3.3 Verluste in der realen Solarzelle
Der theoretische Wirkungsgrad kann aufgrund von Verlusten in der realen Zelle nicht erreicht werden:
Störstellen-Rekombination: Diese Verlustart tritt ein, wenn Fremdatome im Halbleitermaterial enthalten sind. Durch tiefere Bandlückenniveaus der Fremdatome „fallen“ die Elektronen bei p-Halbleitern wahrscheinlicher von dem Akzeptor in das Valenzband. Bei n-Halbleitern „fallen“ die negativen Ladungsträger von dem Leitungsband zum Donator zurück (Mertens, 2020 S. 93).
Oberflächen-Rekombination: Die freien Bindungen an der Oberfläche eines nicht unendlich ausgedehnten Kristalls führen zu unerwünschten Rekombinationen (Mertens, 2020 S. 93).
Transmissionsverluste: Diese Verlustart tritt ein, wenn das Material zu dünn ist. Je größer die Wellenlänge des Lichts, desto höher ist auch die Eindringtiefe. Es gibt jedoch Maßnahmen diese Durchstrahlungsverluste zu verhindern, ohne die Materialdicke zu erhöhen. Eine Texturierung der Oberfläche kann die Weglänge durch die Brechung der Lichtstrahlen an der Oberfläche verlängern. Zusätzlich sorgt ein reflektierendes Material an der Zellunterseite für ein zweites Durchlaufen der Photonen in der Zelle (Mertens, 2020 S. 118).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Motivation und Ziel der Arbeit: Diese Einführung thematisiert die Notwendigkeit erneuerbarer Energien vor dem Hintergrund des Klimawandels und definiert das Ziel der quantitativen Vergleichsanalyse verschiedener Solarzellentechnologien.
2 Markt und Stromgestehungskosten der Photovoltaik: Hier werden die historische Entwicklung der Photovoltaik skizziert, aktuelle Markttrends betrachtet und die Methodik zur Bestimmung der Stromgestehungskosten (LCOE) erläutert.
3 Theoretische Grundlagen und Basisgrößen: Dieses Kapitel liefert die physikalischen Grundlagen der solaren Stromerzeugung, von der Globalstrahlung über den pn-Übergang bis hin zu Verlustmechanismen und Leistungsberechnungen.
4 Vorstellung der Zelltechnologien: Dieser Hauptteil bietet eine umfassende Übersicht über verschiedene Zelltechnologien, deren Aufbau, Wirkungsweise und Herstellungsprozesse, unterteilt in kristalline, Dünnschicht- und modifizierte Verfahren.
5 Technischer und wirtschaftlicher Vergleich von PV-Modulen: Hier werden die ausgewählten Module in einer simulierten PV-Anlage an drei Standorten technisch verglichen und deren Wirtschaftlichkeit über eine Laufzeit von 25 Jahren analysiert.
6 Fazit und Ausblick: Diese Zusammenfassung bewertet die Ergebnisse des Vergleichs und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Marktentwicklung von Zelltechnologien und innovative Nutzungsformen wie der Agriphotovoltaik.
7 Anhang: Dient als Referenz und umfasst das Abkürzungs-, Formel-, Tabellen- und Abbildungsverzeichnis sowie die Dokumentation zu den verwendeten Datenblättern.
8 Quellen: Auflistung der im Rahmen der Arbeit verwendeten Literatur und Web-Ressourcen.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solarzelle, Wirkungsgrad, Stromgestehungskosten, LCOE, kristallines Silizium, Dünnschichttechnologie, PERC, TOPCon, bifaziale Module, Energieertrag, Performance Ratio, Degradaion, Halbleiter, Energiewende.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von verschiedenen stromerzeugenden Solartechnologien unter Berücksichtigung ihrer technischen Effizienz und wirtschaftlichen Rentabilität.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen von Solarzellen, die Analyse verschiedener Zellkategorien, sowie die methodische Gegenüberstellung von PV-Modulen anhand von Standortdaten.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die quantitative Bestimmung der besten Zelltechnologie für eine PV-Freiflächenanlage an drei verschiedenen Klimastandorten unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Parameter.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es wird eine simulationsbasierte quantitative Vergleichsmethode verwendet, die mithilfe von PVGIS-Daten und einem spezifischen Excel-Tool Energieerträge kalkuliert und daraus wirtschaftliche Maximalpreise ableitet.
Welche Inhalte dominieren den Hauptteil?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte theoretische Basis sowie eine detaillierte technische Vorstellung und Gegenüberstellung verschiedener Zelltypen wie Silizium-, Dünnschicht- und Tandem-Zellen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Photovoltaik, Wirkungsgrad, LCOE, kristalline Silizium-Technologien, Dünnschicht, bifaziale Module sowie Standort- und Klimadaten.
Warum schneiden bifaziale Module im Vergleich oft besser ab?
Bifaziale Module nutzen nicht nur die direkte Einstrahlung auf die Vorderseite, sondern absorbieren zusätzlich die durch den Untergrund reflektierte Strahlung auf der Rückseite, was insbesondere bei hohem Albedowert den Gesamtertrag steigert.
Welche Bedeutung haben die Stromgestehungskosten (LCOE) für diese Analyse?
Der LCOE dient als zentrale wirtschaftliche Vergleichsgröße (EUR/kWh) über die Lebensdauer der Anlage, um die Kosteneffizienz der unterschiedlichen Modultechnologien vergleichbar zu machen.
Was ist das Ergebnis der Sensitivitätsanalyse?
Die Sensitivitätsanalyse identifiziert den STC-Wirkungsgrad als den kritischsten Parameter für die Rentabilität und belegt, dass Standortbedingungen die Wirtschaftlichkeit einzelner Technologien maßgeblich beeinflussen.
- Arbeit zitieren
- Alexander Zollner (Autor:in), 2020, Vergleich von stromerzeugenden Solartechnologien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1316177
