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

In einer Zeit, in der nachhaltige Energiequellen wichtiger sind denn je, steht die Entwicklung der Photovoltaik-(Solar-)Technologie an der Spitze der Innovation. Ein jünges Beispiel dafür kommt von der University of Ottawa (U of O), wo ein Team von Wissenschaftlern erfolgreich “als erste auf der Welt mikrometrische Photovoltaikzellen mit Rückkontakt hergestellt hat.” Dies wird als “wichtiger Schritt” zur weiteren Miniaturisierung von Elektronik beschrieben.

Das Team, das für diesen Durchbruch verantwortlich ist, wurde von

• Mathieu de Lafontaine, einem Postdoktoranden an der U of O und Teilzeit-Physikprofessor
• Karin Hinzer, Vice-Dean, Research, und University Research Chair in Photonic Devices for Energy an der Faculty of Engineering

Während die U of O zentral für diesen Durchbruch war, wurde das Team auch 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 Elektrizität umwandeln. Sie arbeiten nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts, bei dem Lichtenergie (Photonen) auf halbleitende Materialien wie Silizium trifft und einen elektrischen Strom induziert. Dieser Prozess tritt auf, wenn die Photonen Elektronen aus ihren Atomorbitalen lösen, was einen Fluss von elektrischer Ladung erzeugt.

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

Was sind ‘Rückkontakt-Mikrometrische Photovoltaikzellen’?

Wie erwähnt, stellen Rückkontakt-Mikrometrische Photovoltaikzellen eine bahnbrechende Weiterentwicklung in der Solartechnologie dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, bei denen die elektrischen Kontakte auf der Vorder- und Rückseite liegen, haben Rückkontaktzellen alle ihre elektrischen Kontakte auf der Rückseite.

Dieses einzigartige Design reduziert den Schatteneffekt, der durch die Elektroden auf der Zellenoberfläche verursacht wird, erheblich, wodurch die Fähigkeit der Zelle, Sonnenlicht zu erfassen, verbessert wird.

Was ist der ‘Schatteneffekt’?

Der Schatteneffekt in Solarzellen bezieht sich auf die Blockierung von Sonnenlicht, die durch die Anwesenheit von elektrischen Kontakten auf der Oberfläche der Zelle verursacht wird. Traditionelle Photovoltaikzellen haben metallische Kontakte (in der Regel aus Silber oder Aluminium) auf der Oberfläche, die den erzeugten elektrischen Strom sammeln und transportieren.

Diese Kontakte können jedoch einen Teil des einfallenden Sonnenlichts blockieren, was verhindert, dass es die photovoltaische Materialien darunter erreicht. Diese Blockierung reduziert die Menge an Licht, die für die Umwandlung in Elektrizität verfügbar ist, wodurch die Gesamteffizienz der Solarzelle verringert wird.

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 abgedeckten Fläche kann mehr von der Zellenoberfläche aktiv an der Lichtabsorption und der Umwandlung in Elektrizität teilnehmen. Dies verbessert die Gesamteffizienz der Zelle, wodurch sie mehr Leistung aus der gleichen Menge an Sonnenlicht erzeugen kann.
2. Kosteneffizienz: Eine höhere Effizienz bedeutet, dass die gleiche Menge an Energie aus weniger Zellen erzeugt werden kann. Als Ergebnis kann die Gesamtkosten von Solarenergiesystemen reduziert werden, wodurch Solarenergie wettbewerbsfähiger mit anderen Energieformen wird und somit für eine breitere Nutzergruppe zugänglicher wird.
3. Vielseitigkeit und Designflexibilität: Die Reduzierung des Schatteneffekts ermöglicht es, innovative und flexible Solarzellendesigns zu entwickeln. Dies kann zu Zellen führen, die nicht nur effizienter, sondern auch dünner und leichter sind, was insbesondere für Anwendungen von Vorteil sein kann, die von Platz- und Gewichtsbeschränkungen betroffen sind, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrt, bei tragbaren Geräten und in integrierten Gebäudelösungen.

Die Reduzierung des Schatteneffekts ist entscheidend für die Weiterentwicklung der Solartechnologie – was nun durch diese Rückkontakt-Mikrometrischen Photovoltaikzellen angegangen wird. Als Ergebnis können wir in Zukunft effizientere, kosteneffektivere und vielseitigere Solarzellen erwarten, die letztendlich zur weiteren Verbreitung von Solarenergie als nachhaltiger Energiequelle beitragen sollten.

Warum ist Miniaturisierung wichtig?

Jenseits der Reduzierung des Schatteneffekts in herkömmlichen Photovoltaikzellen ermöglicht der Rückkontakt eine wesentlich verbesserte Miniaturisierung. Dies ist in den Bereichen Elektronik und erneuerbare Energietechnologien von entscheidender Bedeutung, da es eine effizientere Nutzung von Platz und Ressourcen ermöglicht und gleichzeitig die Leistung verbessert.

Der Miniaturisierungs- oder ‘mikrometrische’ Aspekt dieser Zellen liegt darin, dass sie etwa doppelt so dick sind wie ein menschliches Haar. Als Ergebnis können diese kleineren, effizienteren Photovoltaikzellen, die von der U of O entwickelt wurden, auch die Produktionskosten erheblich senken (vermutlich um bis zu drei Viertel).

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

Leichtere Kernbatterien werden die Raumfahrt erleichtern, und die Miniaturisierung von Geräten wird zum Wachstum des Internets der Dinge beitragen und zu leistungsstärkeren Computern und Smartphones führen” – Mathieu de Lafontaine

Interessanterweise geht es bei dieser Miniaturisierung nicht nur darum, Geräte kleiner zu machen, sondern sie auch intelligenter und anpassungsfähiger an verschiedene Umgebungen zu machen. Im Kontext einer zunehmend vernetzten Welt, in der das Internet der Dinge (IoT) und Smart-Technologien immer verbreiteter werden, können miniaturisierte Photovoltaikzellen eine Vielzahl von Geräten ohne die Einschränkungen herkömmlicher Energiequellen betreiben.

Somit kann diese Weiterentwicklung eine umweltfreundlichere, nachhaltigere Herangehensweise an die Energieerzeugung und -nutzung ermöglichen und direkt zur Umstellung auf eine kohlenstoffneutrale Wirtschaft beitragen.

Wo werden sie eingesetzt?

Photovoltaikzellen haben eine breite Palette von Anwendungen, die ständig mit Fortschritten wie der Rückkontakt-Herstellung wachsen. Diese Vielseitigkeit und Attraktivität sind größtenteils auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, Elektrizität auf eine saubere und erneuerbare Weise zu erzeugen.

Jenseits der herkömmlichen Stromerzeugung sind sie integraler Bestandteil von Fern- und tragbaren Stromversorgungssystemen, wie sie in der Raumfahrt verwendet werden, um Satelliten und Raumfahrzeuge zu betreiben.

Durch die Miniaturisierung dieser Zellen erweitern sich ihre Anwendungen auf dichtere elektronische Geräte, was möglicherweise Branchen wie Telekommunikation und das Internet der Dinge (IoT) transformieren kann. Wie bereits erwähnt, kann die Miniaturisierung zu effizienteren, kompakteren und vielseitigeren solarbetriebenen Lösungen führen, wodurch der Anwendungsbereich der Photovoltaiktechnologie erweitert wird.

Branchenakteure

Es gibt einige bemerkenswerte Unternehmen, die das Wachstum im Bereich der nachhaltigen Energie, mit Fokus auf Solaranwendungen, vorantreiben. Die folgenden sind einige dieser Unternehmen, zusammen mit mehreren bemerkenswerten Ergänzungen.

1. NextEra Energy Resources

(NEE )

NextEra Energy Resources, eine Tochtergesellschaft von NextEra Energy, macht bedeutende Fortschritte im Solarenergie-Sektor. Im ersten Quartal 2023 fügte das Unternehmen etwa 2.020 Megawatt Erneuerbare-Energie- und Speicheranlagen seinem Bestand hinzu, darunter etwa 1,3 Gigawatt Solarenergie, sowie Speicher- und Windanlagen. Dieser Zusatz brachte seinen Projektbestand auf über 20,4 Gigawatt, was die starke Verpflichtung des Unternehmens zur Erweiterung seines Portfolios an erneuerbaren Energien unterstreicht.

Ein bemerkenswertes Projekt ist das Sebree-Solar-Projekt mit 400 Megawatt in Henderson County, Kentucky, das von Sebree Solar, einer Tochtergesellschaft von NextEra Energy Resources, entwickelt wird.

Darüber hinaus ist NextEra Energy Resources auch an einem weiteren 200-Megawatt-Solarprojekt über Green River Solar, eine weitere Tochtergesellschaft, beteiligt. Diese Initiativen spiegeln die Verpflichtung von NextEra Energy Resources wider, die Solarenergie als Schlüsselspieler im Markt für erneuerbare Energien voranzutreiben.

2. First Solar

(FSLR )

First Solar, ein führendes US-amerikanisches Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Solarmodulen aus Cadmiumtellurid-Dünnschicht spezialisiert hat, hat im Jahr 2023 bedeutende Fortschritte in Solarinitiativen erzielt. Mit 801 Millionen Dollar Umsatz und 2,7 Gigawatt Solarmodul-Bestellungen in einem Quartal zeigt das Unternehmen starkes Wachstum und eine Betonung der Solartechnologie. Um die steigende Nachfrage zu decken, erweitert First Solar seine Produktionskapazitäten sowohl in den USA als auch international und zielt auf eine globale Kapazität von 25 Gigawatt bis 2026 ab.

Bemerkenswerterweise hat First Solar die Produktion von bifazialen Dünnschichtmodulen als Erster in der Branche vorangetrieben. Diese innovative Technologie ermöglicht einen bifazialen Energiegewinn und höhere Energieerträge, was eine bedeutende Weiterentwicklung in der Effizienz von Solarmodulen darstellt.

3. SolarEdge Technologies

(SEDG )

SolarEdge Technologies gilt weithin als Führer in der Smart-Energy-Technologie. Dieses Unternehmen hat im Jahr 2023 bedeutende Fortschritte im Solarenergie-Sektor erzielt und verzeichnete Rekordumsätze von 943,9 Millionen Dollar, wobei 908,5 Millionen Dollar direkt aus seinem Solarsegment stammten. Dies unterstreicht die robuste Präsenz von SolarEdge im Solarenergie-Sektor. Im ersten Quartal 2023 allein lieferte SolarEdge 3,6 Gigawatt (AC) Wechselrichter und 221 Megawattstunden Batterien, was die erhebliche Beiträge des Unternehmens zum Solarenergie-Markt unterstreicht.

Bemerkenswerte Erwähnungen

Schlussgedanken

Die Fortschritte in der Photovoltaikzellentechnologie, insbesondere durch die Entwicklung von Rückkontakt-Mikrometrischen Zellen, stellen einen potenziellen Quantensprung in der Solarenergie dar. Diese Innovation verbessert nicht nur die Effizienz und reduziert die Kosten der Solarenergie, sondern eröffnet auch neue Horizonte für ihre Anwendung in verschiedenen Branchen. Die Reduzierung des Schatteneffekts und die Konzentration auf die Miniaturisierung sind entscheidend, um die Solarenergie an die Spitze der erneuerbaren Energiequellen zu bringen.

Wenn wir diese technologischen Fortschritte annehmen, bewegen wir uns näher an eine Zukunft, in der eine weit verbreitete, nachhaltige und saubere Energie nicht nur möglich, sondern Realität ist.