Was sind Dünnschicht-Solarmodule?

1. Was sind Dünnschicht-Solarmodule?

Im Gegensatz zu den Solarzellen der ersten Generation, die aus ein- oder multikristallinem Silizium bestehen, werden Dünnschicht-Solarmodule aus einer oder mehreren Schichten von PV-Elementen auf einer Oberfläche hergestellt, die aus verschiedenen umzuwandelnden Glas-, Kunststoff- oder Metallelementen besteht Sonnenlicht in Elektrizität. Und die am häufigsten verwendeten für die Dünnschicht-Solartechnologie sind Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), amorphes Silizium (a-Si) und Galliumarsenid (GaAs).

2 Der Aufbau von Dünnschicht-Solarmodulen

Dünnschicht-Solarmodule bestehen aus einer großen Anzahl von Dünnschicht-Solarzellen und nutzen Lichtenergie (Photonen) der Sonne, um durch den photovoltaischen Effekt Strom zu erzeugen Es umfasst außerdem Schichten, eine Rückseitenfolie und einen Anschlusskasten, die alle zusammenarbeiten, um den normalen Betrieb der Solarmodule sicherzustellen.

Was sind Dünnschichtsolarzellen?

Dünnschichtsolarzellen sind elektronische Geräte, die Sonnenlicht durch den photovoltaischen Effekt in elektrische Energie umwandeln. Dünnschichtzellen verbrauchen tendenziell viel weniger Material – die aktive Fläche der Zelle ist normalerweise nur 1 bis 10 Mikrometer dick. Außerdem lassen sich Dünnschichtzellen meist in einem großflächigen Prozess herstellen, bei dem es sich um einen automatisierten, kontinuierlichen Produktionsprozess handeln kann.

Darüber hinaus verwenden Dünnschicht-Solarmodule eine dünne Schicht eines transparenten leitenden Oxids, beispielsweise Zinnoxid. Während Dünnschichtzellen aus vielen winzigen kristallinen Körnchen aus Halbleitermaterialien bestehen, um das elektrische Feld mit einer Grenzfläche, einem sogenannten Heteroübergang, besser zu erzeugen. Im Allgemeinen können diese Art von Dünnschichtvorrichtungen als einzelne Einheit – also monolithisch – hergestellt werden, wobei Schicht für Schicht nacheinander auf einem Substrat abgeschieden wird, einschließlich der Abscheidung einer Antireflexionsbeschichtung und eines transparenten leitenden Oxids.

Was sind Schichten?

Normalerweise haben Dünnschicht-Solarmodule oben eine sehr dünne (weniger als 0,1 Mikrometer) Schicht, die sogenannte „Fensterschicht“, um Lichtenergie nur vom energiereichen Ende des Spektrums zu absorbieren. Es muss dünn genug sein und eine ausreichend große Bandlücke (2,8 eV oder mehr) haben, um das gesamte verfügbare Licht durch die Grenzfläche (Heteroübergang) zur absorbierenden Schicht zu lassen. Die absorbierende Schicht unter dem Fenster ist normalerweise p-dotiert und verfügt über ein hohes Absorptionsvermögen (Fähigkeit, Photonen zu absorbieren) für hohe Ströme und eine geeignete Bandlücke, um eine gute Spannung bereitzustellen.

Was ist Backsheet?

Als Polymer oder eine Kombination von Polymeren mit verschiedenen Additiven ist die Rückseitenfolie so konzipiert, dass sie eine Barriere zwischen den Solarzellen und der Außenumgebung bildet. Daraus können wir ersehen, dass die Rückseitenfolie eine entscheidende Komponente für die Haltbarkeit, Effizienz und Langlebigkeit eines Solarmoduls ist.

Was ist eine Anschlussdose?

Als elektrisches Gehäuse zur Unterbringung und zum Schutz elektrischer Verbindungen ist die Anschlussdose speziell dafür konzipiert, eine sichere Umgebung für elektrische Verbindungen zu bieten, um versehentlichen Kontakt mit stromführenden Leitungen zu verhindern und zukünftige Wartungs- oder Reparaturarbeiten zu vereinfachen. Normalerweise wird eine PV-Anschlussdose an der Rückseite des Solarmoduls angebracht und fungiert als dessen Ausgangsschnittstelle. Externe Anschlüsse für die meisten Photovoltaikmodule verwenden MC4-Anschlüsse, um einfache wetterfeste Verbindungen zum Rest des Systems zu ermöglichen. Es kann auch eine USB-Stromschnittstelle verwendet werden.

3 Die Entwicklungsgeschichte von Dünnschicht-Solarmodulen

Die Geschichte der Dünnschicht-Solarmodule reicht bis in die 1970er-Jahre zurück, als Forscher erstmals mit der Nutzung von Dünnschicht-Halbleitern (a-Si) zur Nutzung von Sonnenenergie experimentierten. Damals war das Interesse an der Dünnschicht-Technologie für die kommerzielle Nutzung groß und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt fördern die Entwicklung von Dünnschicht-Solargeräten aus amorphem Silizium.

In den 1980er Jahren erleichterten technologische Fortschritte die Erweiterung vorhandener Dünnschichtmaterialien durch neue Materialien wie Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), die eine höhere Umwandlungseffizienz und niedrigere Produktionskosten aufweisen.

Die 1990er und 2000er Jahre waren eine Zeit bedeutender Fortschritte bei der Erforschung neuer Solarmaterialien der dritten Generation – Materialien mit dem Potenzial, die theoretischen Effizienzgrenzen traditioneller Festkörpermaterialien zu überwinden. Viele neue Produkte wie Farbstoffsolarzellen und Quantenpunktsolarzellen wurden entwickelt.

In den 2010er und frühen 2020er Jahren umfassten Innovationen in der Dünnschicht-Solartechnologie Bemühungen, die Solartechnologie der dritten Generation auf neue Anwendungen auszudehnen und die Produktionskosten zu senken. Im Jahr 2004 erreichte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) einen Weltrekordwirkungsgrad von 19,9 % für ein CIGS-Dünnschichtmodul. Im Jahr 2022 wurden flexible organische Dünnschichtsolarzellen in Gewebe integriert.

Heutzutage sind flexible organische Dünnschicht-Solarzellen, die in Fertigungen integriert werden, eine bessere Wahl als herkömmliche Silizium-Panels. Und die Dünnschicht-Technologie macht ungefähr 19 % des gesamten US-amerikanischen Solarstroms aus. Marktanteil im selben Jahr, einschließlich 30 % der Großproduktion.

4. Die Arten von Solarmodulen

Es gibt verschiedene Arten von Materialien, die zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Basierend auf ihren Rohstoffen können sie in vier Arten unterteilt werden 

l Cadmiumtellurid (CdTe)-Dünnschichtmodule sind eine Art Solarmodul, das eine dünne Schicht Cadmiumtellurid verwendet, die auf einem Substratmaterial wie Glas oder Edelstahl als Halbleitermaterial abgeschieden wird. Sie sind nicht nur leicht und einfach zu installieren, sondern bieten auch eine hohe Energieproduktion bei schlechten Lichtverhältnissen, was bedeutet, dass sie auch bei bewölktem oder bewölktem Wetter Strom erzeugen können. Es wird geschätzt, dass CdTe-Dünnschicht-Solarmodule unter Standardtestbedingungen (STC) einen Wirkungsgrad von 19 % erreichten, einzelne Solarzellen jedoch einen Wirkungsgrad von 22,1 % erreichten. Allerdings bestehen Bedenken hinsichtlich der Toxizität von Cadmium, da es sich um ein Schwermetall handelt, das bei unsachgemäßer Entsorgung Umweltschäden verursachen kann.

l Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Dünnschichtplatten (CIGS) werden hergestellt, indem durch einen Sputterprozess eine Molybdän-Elektrodenschicht (Mo) über dem Substrat angebracht wird Im Vergleich zu anderen PV-Technologien weisen sie einen hohen Wirkungsgrad auf und können künftig einen theoretischen Wirkungsgrad von 33 % erreichen. Darüber hinaus neigen sie weniger zu Rissen oder Brüchen und sind leicht zu bedienen. Trotz dieser Vorteile sind die Kosten jedoch relativ höher als bei anderen Technologien, was ihre weitere Entwicklung behindern kann.

l Dünnschichtplatten aus amorphem Silizium (a-Si) werden durch die Verarbeitung von Glasplatten oder flexiblen Substraten zusammen mit einer p-i-n- oder ni-i-p-Konfiguration hergestellt. Zu den Vorteilen von a-Si-Dünnschichtpaneelen gehören ihre Flexibilität und ihre leichte Bauweise, wodurch sie sich ideal für den Einsatz in tragbaren Anwendungen wie Camping oder der Stromversorgung von Fernsensoren eignen. Da das leitfähige Glas für diese Panels jedoch teuer und der Prozess langsam ist, ist der Preis mit fast 0,69 $/W relativ hoch.

l Galliumarsenid (GaAs)-Dünnschichtmodule sind im Herstellungsprozess komplexer als bei herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen. Erwähnenswert ist, dass sie hohe Wirkungsgrade von bis zu 39,2 % erreichen und widerstandsfähiger gegen Hitze und Feuchtigkeit sind. Aufgrund der Herstellungszeit, der Materialkosten und der stark wachsenden Materialien ist es jedoch eine weniger praktikable Wahl.

5. Die Anwendungen von Dünnschicht-Solarmodulen

Als aufstrebende Klasse von Alternativen zur Silizium-Photovoltaik werden Dünnschicht-Solarmodule hauptsächlich in den folgenden Bereichen eingesetzt.

l Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)

Da Dünnschicht-PV-Module bis zu 90 % leichter sein können als Silizium-Module, ist eine Anwendung, die weltweit immer beliebter wird, BIPV, bei der die Solarmodule an Dachziegeln, Fenstern, schwachen Strukturen usw. befestigt werden. Zusätzlich,  Einige Arten von Dünnschicht-PV können halbtransparent gemacht werden, was dazu beiträgt, die Ästhetik von Häusern und Gebäuden zu bewahren und gleichzeitig die Möglichkeit der Solarstromerzeugung zu ermöglichen.

l Weltraumanwendungen

Aufgrund der Vorteile von geringem Gewicht, hoher Effizienz, einem breiten Betriebstemperaturbereich und sogar der Schadensresistenz gegen Strahlung sind Dünnschicht-Solarmodule, insbesondere CIGS- und GaAs-Solarmodule, ideal für Raumfahrtanwendungen.

l Fahrzeuge und Schiffsanwendungen

Eine häufige Anwendung von Dünnschicht-Solarmodulen ist die Installation flexibler PV-Module auf Fahrzeugdächern (insbesondere Wohnmobilen oder Bussen) und den Decks von Booten und anderen Wasserfahrzeugen, die zur Stromversorgung genutzt werden können und gleichzeitig ästhetisch bleiben.

l Tragbare Anwendungen

Seine Tragbarkeit und Größe haben ihm eine nachhaltige Entwicklung im Bereich der kleinen, energieautarken Elektronik und des Internets der Dinge (IoT) beschert, der in den kommenden Jahren voraussichtlich erheblich wachsen wird. Und mit seiner Weiterentwicklung kann es auch an abgelegenen Orten mit faltbaren Solarpaneelen, Solar-Powerbanks, solarbetriebenen Laptops usw. eingesetzt werden.

6. Die Entwicklungstrends von Dünnschicht-Solarmodulen

Angesichts der zunehmenden Akzeptanz von Solarenergie weltweit, der Einführung strenger Energiebeschränkungen und der zunehmenden Bemühungen der Regierung, grüne Quellen in das Netz zu integrieren, wird erwartet, dass Dünnschicht-Solarmodule bis 2030 einen Wert von rund 27,11 Milliarden US-Dollar erreichen werden, mit einer bemerkenswerten jährlichen Wachstumsrate von 8,29 % 2022 bis 2030 Der Anstieg wird durch seine Vorteile und R vorangetrieben&D: Da sie äußerst wirtschaftlich und einfach herzustellen sind, verbrauchen sie weniger Material und produzieren weniger Abfall. Und der R&D zur Verbesserung der Haltbarkeit und Leistung von Solarzellen wird auch neue Möglichkeiten für das Marktwachstum schaffen.

Allerdings gehen Chancen mit Herausforderungen einher. Der hohe Wettbewerbsdruck, ein sich änderndes regulatorisches Umfeld sowie die Verfügbarkeit knapper Finanzmittel und Ressourcen bedeuten, dass sie derzeit möglicherweise nicht in der Lage sind, einen nennenswerten Teil des Weltmarktanteils zu erobern.

7 Die Investitionsanalyse von Dünnschicht-Solarmodulen

Der Markt für Dünnschichtsolarzellen scheint sich in den letzten Jahren zu entwickeln, was auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist.

l Produkttypanalyse

Im Jahr 2018 produzierte CdTe Strom zu einem Preis, der deutlich unter oder auf dem Niveau herkömmlicher fossiler Energiequellen lag. Aufgrund seiner ungiftigen, günstigen Betriebs- und Produktionskosten dominiert derzeit die Kategorie Cadmiumtellurid den weltweiten Markt für Dünnschichtsolarzellen und es wird erwartet, dass sie im gesamten Prognosezeitraum weiterhin am schnellsten wachsen wird.

l Endbenutzeranalyse

Die zunehmende Entwicklung und Forschung zur Senkung der Installations- und Wartungskosten könnte die Bedürfnisse der Verbraucher steigern. Im Jahr 2022 dominierte der Versorgungsmarkt den weltweiten Markt für Dünnschichtsolarzellen, und es wird vorhergesagt, dass er sich im gesamten Prognosezeitraum weiterhin am schnellsten entwickeln wird . Da sich Dünnschicht-Solarmodule viel langsamer abbauen, bieten sie eine potenzielle Alternative zu herkömmlichen c-Si-Solarmodulen.

l Regionale Analyse

Der asiatisch-pazifische Raum war im Jahr 2022 die weltweit größte Region für Dünnschichtsolarzellen, und es wird erwartet, dass er weiterhin mit der höchsten Wachstumsrate wachsen wird, was auf viele Faktoren zurückzuführen ist. Als größter Solar-PV-Markt der Welt wird China beispielsweise das Ziel für erneuerbare Energien bis 2030 von 20 % auf 35 % erhöhen. Und groß angelegte Solar-Photovoltaik-Anlagen in China nutzen überwiegend Dünnschichttechnologie. Darüber hinaus hat Japan seine Absicht erklärt, künftig nur noch nachhaltigen Strom zu nutzen.

8 Was Sie bei hochwertigen Dünnschicht-Solarmodulen beachten sollten

Beim Kauf von Solarmodulen müssen nicht nur der Preis und die Qualität berücksichtigt werden, sondern auch andere Faktoren sollten im Auge behalten werden.

l Effizienz: Durch einen hohen Wirkungsgrad kann mehr Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden. Generell kann eine höhere Konzentration an Ladungsträgern den Wirkungsgrad der Solarzelle durch eine Erhöhung der Leitfähigkeit steigern. Das Hinzufügen eines Konzentrators zu einer Solarzelle trägt nicht nur zur Steigerung der Effizienz bei, sondern kann auch den Platz-, Material- und Kostenaufwand für die Herstellung der Zelle reduzieren.

l Haltbarkeit und Lebensdauer: Bei einigen Dünnschichtmodulen treten unter verschiedenen Bedingungen auch Probleme mit der Verschlechterung auf. Von allen Materialien weist CdTe die beste Beständigkeit gegen Leistungseinbußen mit der Temperatur auf. Und im Gegensatz zu anderen Dünnschichtmaterialien ist CdTe tendenziell relativ widerstandsfähig gegenüber Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit, bei flexiblen CdTe-Platten kann es jedoch bei angelegten Belastungen zu Leistungseinbußen kommen.

l Gewicht: Es bezieht sich auf die Dichte des Dünnschicht-Solarmoduls. Im Allgemeinen haben Dünnschicht-Solarmodule ein geringes Gewicht, sodass Sie keine Angst davor haben sollten, Ihr Dach mit Eigengewicht zu belasten. Dennoch muss bei der Auswahl das Gewicht berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass es bei der Installation nicht überlastet wird.

l Temperatur: Dies bedeutet die minimale und maximale Temperatur, bei der das Dünnschicht-Solarmodul funktionieren kann. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die besten Dünnschicht-Solarmodule eine Mindesttemperatur von -40 °C und eine Höchsttemperatur von 80 °C haben.