Mikrometrische Photovoltaikzellen: ein ‘technologischer Durchbruch’ für die Miniaturisierung von Geräten

In einem Zeitalter, in dem nachhaltige Energielösungen wichtiger denn je sind, steht die Weiterentwicklung der Photovoltaik‑ (Solar‑)Technologie an der Spitze der Innovation. Ein aktuelles Beispiel stammt von der University of Ottawa (U of O), wo ein Wissenschaftsteam erfolgreich „einen Weltrekord aufgestellt hat, indem es die ersten Back‑Contact‑mikrometrischen Photovoltaikzellen herstellte.“ Dies wird als ein „entscheidender Schritt“ beschrieben, der die fortgesetzte Miniaturisierung von Elektronik ermöglicht.

Das Team, das für diesen Durchbruch verantwortlich war, wurde geleitet von,

• Mathieu de Lafontaine, ein Postdoktorand an der U of O und Teilzeit‑Physikprofessor
• Karin Hinzer, Vizedekan, Forschung, und Universitätsforschungsstuhl für photonische Geräte für Energie an der Fakultät für Ingenieurwesen

Während die U of O zentral für diesen Durchbruch war, wurde das Team zudem von der Université de Sherbrooke in Quebec und dem Laboratoire des Technologies de la Microélectronique in Grenoble, Frankreich, unterstützt.

Was sind Photovoltaikzellen?

Photovoltaikzellen, allgemein als Solarzellen bekannt, sind Geräte, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Sie funktionieren nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts, bei dem Lichtenergie (Photonen), die auf halbleitende Materialien wie Silizium treffen, einen elektrischen Strom erzeugt. Dieser Prozess erfolgt, indem die Photonen Elektronen aus ihren atomaren Bahnen lösen und so einen Fluss elektrischer Ladung erzeugen.

Diese Zellen sind die grundlegenden Bausteine von Solarmodulen und entscheidend für die Nutzung von Solarenergie, einer erneuerbaren und sauberen Energiequelle. Der jüngste Fortschritt der U of O bei der Entwicklung mikrometrischer Photovoltaikzellen stellt einen bedeutenden Sprung in dieser Technologie dar und bietet effizientere sowie kompaktere Lösungen.

Was sind ‘Back-Contact-Mikrometrische Photovoltaikzellen’?

Wie bereits erwähnt, stellen Back‑Contact‑mikrometrische Photovoltaikzellen einen bahnbrechenden Fortschritt in der Solartechnologie dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, bei denen die elektrischen Kontakte auf Vorder‑ und Rückseite liegen, haben Back‑Contact‑Zellen sämtliche elektrischen Kontakte auf der Rückseite.

Dieses einzigartige Design reduziert den Schatteneffekt, der durch Elektroden auf der Zelloberfläche verursacht wird, erheblich und verbessert damit die Fähigkeit der Zelle, Sonnenlicht einzufangen.

Was ist der ‘Schatten’-Effekt?

Der ‘Schatten’-Effekt in Solarzellen bezieht sich auf die Behinderung des Sonnenlichts, die durch das Vorhandensein elektrischer Kontakte auf der Zelloberfläche entsteht. Traditionelle Photovoltaikzellen besitzen metallische Kontakte (meist aus Silber oder Aluminium) auf der Oberseite, die den erzeugten elektrischen Strom sammeln und transportieren.

Diese Kontakte können jedoch einen Teil des einfallenden Sonnenlichts blockieren, sodass es das darunterliegende photovoltaische Material nicht erreicht. Diese Blockade reduziert die Menge an Licht, die für die Umwandlung in Strom zur Verfügung steht, und verringert damit die Gesamteffizienz der Solarzelle.

Quelle: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

Die Reduzierung dieses Schatteneffekts ist aus mehreren Gründen entscheidend:

1. Erhöhte Effizienz: Durch die Minimierung der von Kontakten bedeckten Fläche kann ein größerer Teil der Zelloberfläche aktiv an der Lichtabsorption und -umwandlung teilnehmen. Dies steigert die Gesamteffizienz der Zelle und ermöglicht die Erzeugung mehrerer Leistung aus derselben Lichtmenge.
2. Kosten‑Effizienz: Höhere Effizienz bedeutet, dass dieselbe Energiemenge aus weniger Zellen erzeugt werden kann. Dadurch können die Gesamtkosten von Solaranlagen gesenkt werden, was Solarenergie wettbewerbsfähiger gegenüber anderen Energieformen macht und ihre Zugänglichkeit für ein breiteres Nutzerfeld erhöht.
3. Vielseitigkeit und Designflexibilität: Die Reduzierung des Schattens ermöglicht innovativere und flexiblere Solarzell‑Designs. Sie kann zur Entwicklung von Zellen führen, die nicht nur effizienter, sondern auch dünner und leichter sind – besonders vorteilhaft für Anwendungen mit Platz‑ und Gewichtsrestriktionen, etwa in der Luft‑ und Raumfahrt, bei tragbaren Geräten und integrierten Gebäudelösungen.

Die Verringerung des Schatteneffekts ist entscheidend für den Fortschritt der Solartechnologie – ein Problem, das nun mit diesen Back‑Contact‑mikrometrischen Photovoltaikzellen angegangen wird. Infolgedessen können wir bald effizientere, kostengünstigere und vielseitigere Solarzellen erwarten, die letztlich zur breiteren Akzeptanz von Solarenergie als nachhaltiger Energiequelle beitragen.

Warum ist Miniaturisierung wichtig?

Über die Reduzierung des Schatteneffekts in traditionellen Photovoltaikzellen hinaus ermöglicht das Back‑Contact‑Design eine stark verbesserte Miniaturisierung. Dies ist im Bereich der Elektronik und erneuerbarer Energietechnologien von entscheidender Bedeutung, da es eine effizientere Nutzung von Raum und Ressourcen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung erlaubt.

Der Miniaturisierungs‑ oder ‘mikrometrische’ Aspekt dieser Zellen bedeutet, dass sie etwa doppelt so dünn wie ein menschliches Haar sind. Dadurch können diese kleineren, effizienteren Photovoltaikzellen, die von der U of O entwickelt wurden, die Produktionskosten erheblich senken (angeblich um das Dreifache).

“Dieser technologische Durchbruch verspricht erhebliche Vorteile für die Gesellschaft. Günstigere, leistungsstärkere Solarzellen werden dazu beitragen, den Energiewandel zu beschleunigen.

“Leichte Kernbatterien werden die Weltraumerkundung erleichtern, und die Miniaturisierung von Geräten wird zum Wachstum des Internets der Dinge beitragen und zu leistungsfähigeren Computern und Smartphones führen.” – Mathieu de Lafontaine

Interessanterweise geht es bei dieser Miniaturisierung nicht nur darum, Geräte kleiner zu machen; es geht darum, sie intelligenter und anpassungsfähiger an verschiedene Umgebungen zu machen. Im Kontext einer zunehmend vernetzten Welt, in der das Internet der Dinge (IoT) und smarte Technologien allgegenwärtig werden, können miniaturisierte Photovoltaikzellen eine Vielzahl von Geräten ohne die Beschränkungen herkömmlicher Energiequellen versorgen.

Damit kann dieser Fortschritt einen umweltfreundlicheren, nachhaltigeren Ansatz für die Energieerzeugung und -nutzung ermöglichen und direkt zum Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Wirtschaft beitragen.

Wo werden sie eingesetzt?

Photovoltaikzellen haben ein breites Anwendungsspektrum, das mit Fortschritten wie der Back‑Contact‑Herstellung stetig wächst. Diese Vielseitigkeit und Attraktivität resultieren vor allem aus ihrer Fähigkeit, Strom auf saubere, erneuerbare Weise zu erzeugen.

Über die konventionelle Stromerzeugung hinaus sind sie integraler Bestandteil von entfernten und tragbaren Energiesystemen, etwa bei der Weltraumerkundung, wo sie Satelliten und Raumfahrzeuge mit Strom versorgen.

Durch die Miniaturisierung dieser Zellen erweitern sich ihre Anwendungsmöglichkeiten auf kompaktere elektronische Geräte und könnten Branchen wie Telekommunikation und das Internet der Dinge (IoT) transformieren. Wie bereits erwähnt, kann Miniaturisierung zu effizienteren, kompakteren und vielseitigeren solarbetriebenen Lösungen führen und damit das Einsatzspektrum der Photovoltaiktechnologie erheblich erweitern.

Branchenakteure

Derzeit gibt es einige bemerkenswerte Unternehmen, die das Wachstum im Bereich nachhaltiger Energie vorantreiben und dabei einen Fokus auf Solarapplikationen legen. Im Folgenden sind einige dieser Unternehmen sowie weitere nennenswerte Ergänzungen aufgeführt.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Preisdiagramm

NextEra Energy (NEE ) Resources, eine Tochtergesellschaft von NextEra Energy, erzielt bedeutende Fortschritte im Solarsektor. Im ersten Quartal 2023 fügte das Unternehmen etwa 2.020 MW an Erneuerbare‑Energie‑ und Speicheranlagen zu seinem Auftragsbestand hinzu, darunter rund 1,3 GW Solarenergie sowie Speicher‑ und Windanlagen. Diese Erweiterung brachte den Projekt‑Auftragsbestand auf über 20,4 GW und demonstriert ein starkes Engagement für den Ausbau des Portfolios erneuerbarer Energien​​​.

Ein bemerkenswertes Projekt ist das Sebree Solar 400‑MW‑Solarprojekt im Henderson County, Kentucky, das von Sebree Solar, einer Tochtergesellschaft von NextEra Energy Resources, entwickelt wird.

Zusätzlich ist NextEra Energy Resources an einem weiteren 200‑MW‑Solarprojekt über Green River Solar, einer weiteren Tochtergesellschaft, beteiligt. Diese Initiativen spiegeln das Engagement von NextEra Energy Resources wider, Solarenergie als Schlüsselakteur im Markt für erneuerbare Energien voranzutreiben.

2.  First Solar

FSLR Preisdiagramm

First Solar (FSLR ), ein prominentes US‑Unternehmen, das sich auf Cadmium‑Tellurid‑Dünnschicht‑Solarmodule spezialisiert hat, hat 2023 bedeutende Fortschritte im Solarsektor erzielt. Mit einem Umsatz von 801 Millionen $ und dem Versand von 2,7 GW Solarmodul‑Aufträgen in einem einzigen Quartal demonstriert das Unternehmen starkes Wachstum und legt einen Schwerpunkt auf Solartechnologie. Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, erweitert First Solar seine Produktionskapazitäten sowohl in den USA als auch international und strebt bis 2026 eine globale Kapazität von 25 GW an.

Bemerkenswerterweise hat First Solar die Produktion bifazialer Dünnschicht‑Module als erster Anbieter der Branche eingeführt. Diese innovative Technologie ermöglicht einen bifazialen Energiegewinn und höhere Erträge, was einen bedeutenden Fortschritt in der Effizienz von Solarmodulen darstellt.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Preisdiagramm

SolarEdge Technologies (SEDG ) gilt weithin als führend im Bereich intelligenter Energietechnologien. Das Unternehmen erzielte 2023 bedeutende Fortschritte im Solarsektor und verzeichnete Rekordumsätze von 943,9 Millionen $, wobei 908,5 Millionen $ speziell aus dem Solarsegment stammten. Dieser Erfolg unterstreicht die starke Präsenz von SolarEdge in der Solarindustrie. Allein im ersten Quartal 2023 lieferte SolarEdge 3,6 Gigawatt (AC) Wechselrichter und 221 MWh Batterien, was den erheblichen Beitrag des Unternehmens zum Solarmarkt verdeutlicht​.

Besondere Erwähnungen

Abschließende Gedanken

Die Fortschritte in der Photovoltaikzellentechnologie, insbesondere durch die Entwicklung von Back‑Contact‑mikrometrischen Zellen, stellen einen potenziellen Quantensprung in der Solarenergie dar. Diese Innovation erhöht nicht nur die Effizienz und senkt die Kosten der Solarenergie, sondern eröffnet auch neue Horizonte für ihre Anwendung in verschiedenen Sektoren. Die Reduzierung des Schatteneffekts und der Fokus auf Miniaturisierung sind entscheidend, um Solarenergie an die Spitze der erneuerbaren Energiequellen zu bringen.

Während wir diese technologischen Fortschritte annehmen, kommen wir einer Zukunft näher, in der flächendeckende nachhaltige und saubere Energie nicht nur eine Möglichkeit, sondern Realität ist.