Solarzelleneffizienz bezieht sich auf den Anteil der Energie in Form von Sonnenlicht, der über Photovoltaik in Strom umgewandelt werden kann.

Die Effizienz der Solarzellen, die in einer Photovoltaikanlage verwendet werden, in Kombination mit dem Breitengrad und dem Klima, bestimmt den jährlichen Energieertrag des Systems. Ein Solarmodul mit 20% Wirkungsgrad und einer Fläche von 1 m2 wird beispielsweise 200 W bei Standardtestbedingungen produzieren, aber es kann mehr produzieren, wenn die Sonne hoch am Himmel steht und weniger bei bewölktem Himmel oder bei Sonne produzieren tief im Himmel. In Zentral-Colorado, das eine jährliche Sonneneinstrahlung von 5,5 kWh / m2 / Tag (oder 230W / m2) erhält, kann ein solches Panel voraussichtlich 440 kWh Energie pro Jahr produzieren. In Michigan, das nur 3,8 kWh / m2 / Tag erhält, wird der jährliche Energieertrag für das gleiche Panel jedoch auf 280 kWh fallen. In den nördlicheren europäischen Breiten sind die Erträge deutlich niedriger: 175 kWh jährlicher Energieertrag in Südengland.

Mehrere Faktoren beeinflussen den Umwandlungseffizienzwert einer Zelle, einschließlich ihrer Reflektivitätseffizienz, thermodynamischen Effizienz, Ladungsträgertrennungseffizienz und Leitungseffizienzwerte. Da diese Parameter schwierig direkt zu messen sind, werden stattdessen andere Parameter gemessen, einschließlich der Quanteneffizienz, des VOC-Verhältnisses und des Füllfaktors. Reflexionsverluste werden durch den Quanteneffizienzwert erklärt, da sie die „externe Quanteneffizienz“ beeinflussen. Rekombinationsverluste werden durch die Quanteneffizienz, das VOC-Verhältnis und die Füllfaktorwerte berücksichtigt. Resistive Verluste werden hauptsächlich durch den Füllfaktor-Wert berücksichtigt, tragen aber auch zu den Werten der Quanteneffizienz und des VOC-Verhältnisses bei.

Im Dezember 2014 wurde der Weltrekord für Solarzellenwirkungsgrad bei 46,0% durch den Einsatz von Mehrfachkonzentrator-Solarzellen erreicht, die aus der Zusammenarbeit von Soitec, CEA-Leti, Frankreich, und dem Fraunhofer ISE, Deutschland, entwickelt wurden.

Faktoren, die die Effizienz der Energieumwandlung beeinflussen
Die Faktoren, die sich auf die Energieumwandlungseffizienz auswirken, wurden 1961 in einem wegweisenden Artikel von William Shockley und Hans Queisser dargelegt. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Shockley-Queisser-Limit.

Thermodynamische Effizienzgrenze und unbegrenzte Stapelgrenze
Wenn eine Wärmequelle bei der Temperatur Ts und eine kühlere Wärmesenke bei der Temperatur Tc vorhanden ist, ist der theoretisch maximal mögliche Wert für das Verhältnis von Arbeit (oder elektrischer Leistung) zu zugeführter Wärme 1-Tc / Ts, gegeben durch eine Carnot Wärmekraftmaschine . Wenn wir 6000 K für die Temperatur der Sonne und 300 K für die Umgebungsbedingungen auf der Erde nehmen, dann sind es 95%. 1981 zeigten Alexis de Vos und Herman Pauwels, dass dies mit einem Stapel einer unendlichen Anzahl von Zellen mit Bandlücken von unendlich (die ersten von den eintreffenden Photonen angetroffenen Zellen) auf Null möglich sind, wobei eine Spannung in jeder Zelle sehr nahe ist zu der Leerlaufspannung, die gleich 95% der Bandlücke dieser Zelle ist, und mit 6000 K Schwarzkörperstrahlung aus allen Richtungen. Die dabei erzielte 95% Effizienz bedeutet jedoch, dass die elektrische Leistung 95% der Nettomenge an absorbiertem Licht beträgt – der Stapel emittiert Strahlung, da seine Temperatur nicht Null ist, und diese Strahlung muss von der ankommenden Strahlung subtrahiert werden Wärmemenge übertragen und die Effizienz. Sie betrachteten auch das relevantere Problem der Maximierung der Leistungsabgabe für einen Stapel, der von allen Richtungen durch 6000 K Schwarzkörperstrahlung beleuchtet wird. In diesem Fall müssen die Spannungen auf weniger als 95% der Bandlücke abgesenkt werden (der Prozentsatz ist nicht über alle Zellen konstant). Die berechnete maximale theoretische Effizienz beträgt 86,8% für einen Stapel einer unendlichen Anzahl von Zellen unter Verwendung der eingehenden konzentrierten Sonnenlichtstrahlung. Wenn die eintreffende Strahlung nur von einem sonnenhellen Bereich kommt, sinkt die Effizienzgrenze auf 68,7%.

Ultimative Effizienz
Normale Photovoltaikanlagen haben jedoch nur einen pn-Übergang und unterliegen daher einer niedrigeren Effizienzgrenze, die von Shockley und Queisser als „ultimative Effizienz“ bezeichnet wird. Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des Absorbermaterials können kein Elektron-Loch-Paar erzeugen, so dass ihre Energie nicht in nützliche Leistung umgewandelt wird und nur Wärme erzeugt, wenn sie absorbiert wird. Für Photonen mit einer Energie oberhalb der Bandlückenenergie kann nur ein Bruchteil der Energie oberhalb der Bandlücke in eine nützliche Ausgabe umgewandelt werden. Wenn ein Photon größerer Energie absorbiert wird, wird die überschüssige Energie oberhalb der Bandlücke in kinetische Energie der Trägerkombination umgewandelt. Die überschüssige kinetische Energie wird durch Phononwechselwirkungen in Wärme umgewandelt, während sich die kinetische Energie der Träger auf die Gleichgewichtsgeschwindigkeit verlangsamt. Herkömmliche Single-Junction-Zellen haben eine maximale theoretische Effizienz von 33,16%.

Solarzellen mit mehreren Bandlückenabsorbermaterialien verbessern die Effizienz, indem sie das Sonnenspektrum in kleinere Behälter aufteilen, in denen die thermodynamische Effizienzgrenze für jeden Behälter höher ist.

Quanteneffizienz
Wie oben beschrieben, kann ein Photon, wenn es von einer Solarzelle absorbiert wird, ein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Einer der Träger kann den pn-Übergang erreichen und zu dem von der Solarzelle erzeugten Strom beitragen; ein solcher Träger soll gesammelt werden. Oder die Träger rekombinieren ohne Nettobeitrag zum Zellstrom.

Quanteneffizienz bezieht sich auf den Prozentsatz von Photonen, die in elektrischen Strom umgewandelt werden (dh gesammelte Ladungsträger), wenn die Zelle unter Kurzschlussbedingungen betrieben wird. Die „externe“ Quanteneffizienz einer Silizium-Solarzelle umfasst den Effekt von optischen Verlusten wie Transmission und Reflexion.

Insbesondere können einige Maßnahmen ergriffen werden, um diese Verluste zu reduzieren. Die Reflexionsverluste, die bis zu 10% der gesamten einfallenden Energie ausmachen können, können drastisch reduziert werden, indem man eine Technik namens Texturierung verwendet, eine Lichteinfangmethode, die den durchschnittlichen Lichtweg modifiziert.

Die Quanteneffizienz wird am nützlichsten als eine spektrale Messung ausgedrückt (das heißt, als eine Funktion der Photonenwellenlänge oder Energie). Da einige Wellenlängen effektiver absorbiert werden als andere, können spektrale Messungen der Quanteneffizienz wertvolle Informationen über die Qualität der Halbleitermasse und -oberflächen liefern. Die Quanteneffizienz allein ist nicht die gleiche wie die Gesamtenergieumwandlungseffizienz, da sie keine Informationen über den Bruchteil der Leistung liefert, der von der Solarzelle umgewandelt wird.

Maximaler Leistungspunkt
Eine Solarzelle kann über einen weiten Bereich von Spannungen (V) und Strömen (I) betrieben werden. Durch Erhöhen der ohmschen Last an einer bestrahlten Zelle kontinuierlich von Null (ein Kurzschluss) zu einem sehr hohen Wert (eine offene Schaltung) kann man den maximalen Leistungspunkt bestimmen, den Punkt, der V × I maximiert; das heißt, die Last, für die die Zelle bei diesem Bestrahlungsgrad maximale elektrische Leistung liefern kann. (Die Ausgangsleistung ist sowohl im Kurzschluss- als auch im offenen Stromkreis-Extremfall Null).

Eine hochwertige monokristalline Silizium-Solarzelle mit einer Zellentemperatur von 25 ° C kann einen offenen Stromkreis (VOC) von 0,60 V erzeugen. Die Zellentemperatur bei voller Sonneneinstrahlung, selbst bei 25 ° C Lufttemperatur, wird wahrscheinlich nahe bei 45 ° C liegen, wodurch die Leerlaufspannung auf 0,55 V pro Zelle reduziert wird. Bei dieser Art von Zelle fällt die Spannung leicht ab, bis sich der Kurzschlussstrom nähert (ISC). Die maximale Leistung (bei 45 ° C Zellentemperatur) wird typischerweise mit 75% bis 80% der Leerlaufspannung (in diesem Fall 0,43 V) und 90% des Kurzschlussstroms erzeugt. Diese Ausgabe kann bis zu 70% des VOC x ISC-Produkts betragen. Der Kurzschlussstrom (ISC) von einer Zelle ist nahezu proportional zur Beleuchtung, während die Leerlaufspannung (VOC) bei einem Beleuchtungsabfall von 80% nur um 10% abfallen kann. Zellen mit niedrigerer Qualität haben einen schnelleren Spannungsabfall mit zunehmendem Strom und könnten bei 1/2 ISC nur 1/2 VOC erzeugen. Die nutzbare Leistungsabgabe könnte somit von 70% des VOC x ISC-Produkts auf 50% oder sogar nur 25% fallen. Hersteller, die ihre Solarzellenleistung nur als VOC x ISC bewerten, ohne Lastkurven zu geben, können ihre tatsächliche Leistung ernsthaft verzerren.

Der maximale Leistungspunkt einer Photovoltaik variiert mit der einfallenden Beleuchtung. Zum Beispiel reduziert die Ansammlung von Staub auf Photovoltaik-Modulen den maximalen Leistungspunkt. Für Systeme, die groß genug sind, um die zusätzlichen Kosten zu rechtfertigen, verfolgt ein Maximum-Power-Point-Tracker die momentane Leistung durch kontinuierliche Messung der Spannung und des Stroms (und damit der Leistungsübertragung) und verwendet diese Information zur dynamischen Anpassung der Last, so dass immer die maximale Leistung übertragen wird , unabhängig von der Variation der Beleuchtung.

Füllfaktor
Ein weiterer definierender Begriff im Gesamtverhalten einer Solarzelle ist der Füllfaktor (FF). Dieser Faktor ist ein Maß für die Qualität einer Solarzelle. Dies ist die verfügbare Leistung am maximalen Leistungspunkt (Pm) dividiert durch die Leerlaufspannung (VOC) und den Kurzschlussstrom (ISC):

Der Füllfaktor kann grafisch durch den IV-Sweep dargestellt werden, wo er das Verhältnis der verschiedenen rechteckigen Bereiche darstellt.

Der Füllfaktor wird direkt von den Werten der Reihen-, Shunt- und Diodenverluste der Zelle beeinflusst. Die Erhöhung des Shuntwiderstands (Rsh) und die Verringerung des Serienwiderstands (Rs) führen zu einem höheren Füllfaktor, was zu einer höheren Effizienz führt und die Ausgangsleistung der Zelle näher an ihr theoretisches Maximum bringt.

Typische Füllfaktoren liegen zwischen 50% und 82%. Der Füllfaktor für eine normale Silizium-PV-Zelle beträgt 80%.

Vergleich
Die Energieumwandlungseffizienz wird gemessen, indem die elektrische Leistung durch die einfallende Lichtleistung geteilt wird. Zu den Faktoren, die die Leistung beeinflussen, gehören die spektrale Verteilung, die räumliche Verteilung der Leistung, die Temperatur und die ohmsche Last. IEC Norm 61215 wird verwendet, um die Leistung von Zellen zu vergleichen und ist um Standard (terrestrische, gemäßigte) Temperatur und Bedingungen (STC) ausgelegt: Bestrahlungsstärke von 1 kW / m2, eine spektrale Verteilung in der Nähe der Sonnenstrahlung durch AM (Luftmasse) von 1,5 und eine Zelltemperatur von 25 ° C. Die Widerstandslast wird variiert, bis der Spitzen- oder Maximalleistungspunkt (MPP) erreicht ist. Die Leistung an diesem Punkt wird als Watt-Peak (Wp) aufgezeichnet. Der gleiche Standard wird für die Messung der Leistung und Effizienz von PV-Modulen verwendet.

Die Luftmasse beeinflusst die Leistung. Im Weltraum, wo es keine Atmosphäre gibt, ist das Spektrum der Sonne relativ ungefiltert. Auf der Erde filtert jedoch Luft das einfallende Licht und verändert das Sonnenspektrum. Der Filtereffekt reicht von Luftmasse 0 (AM0) im Weltraum bis ungefähr Luftmasse 1,5 auf der Erde. Multiplikation der spektralen Unterschiede mit der Quanteneffizienz der fraglichen Solarzelle ergibt die Effizienz. Terrestrische Effizienzen sind typischerweise größer als die Raumeffizienz. Zum Beispiel könnte eine Siliziumsolarzelle im Weltraum einen Wirkungsgrad von 14% bei AM0, aber 16% auf der Erde bei AM 1,5 haben. Beachten Sie jedoch, dass die Anzahl der einfallenden Photonen im Weltraum erheblich größer ist, so dass die Solarzelle trotz der geringeren Effizienz, die durch einen geringeren prozentualen Anteil der gesamten eingefangenen Energie angezeigt wird, erheblich mehr Energie im Weltraum erzeugen kann.

Solarzelleneffizienzen variieren von 6% für Solarzellen auf der Basis von amorphem Silizium bis zu 44,0% mit Mehrfachverbindungs-Produktionszellen und 44,4% mit mehreren Chips, die zu einer Hybridverpackung zusammengebaut sind. Die Solarzellen-Energieumwandlungseffizienzen für kommerziell erhältliche multikristalline Si-Solarzellen liegen bei 14-19%. Die Zellen mit der höchsten Effizienz waren nicht immer die wirtschaftlichsten – zum Beispiel könnte eine 30% effiziente Mehrfachübergangszelle, basierend auf exotischen Materialien wie Galliumarsenid oder Indiumselenid, die bei geringem Volumen hergestellt werden, hundertmal so viel wie ein effizientes amorphes Silizium von 8% kosten Zelle in der Massenproduktion, während nur etwa vier Mal die Ausgabe liefern.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die Solarenergie zu „verstärken“. Durch Erhöhung der Lichtintensität werden typischerweise photogenerierte Träger erhöht, was den Wirkungsgrad um bis zu 15% erhöht. Diese sogenannten „Konzentratorsysteme“ haben erst durch die Entwicklung von hocheffizienten GaAs-Zellen begonnen, kostentreibend zu werden. Die Erhöhung der Intensität wird typischerweise durch Verwendung einer konzentrierenden Optik erreicht. Ein typisches Konzentratorsystem kann eine 6- bis 400-fache Sonnenintensität verwenden und die Effizienz einer Ein-Sonnen-GaAs-Zelle von 31% bei AM 1,5 auf 35% erhöhen.

Eine übliche Methode, um ökonomische Kosten auszudrücken, ist die Berechnung eines Preises pro gelieferter Kilowattstunde (kWh). Der Solarzellenwirkungsgrad in Kombination mit der verfügbaren Bestrahlung hat einen großen Einfluss auf die Kosten, aber im Allgemeinen ist die Gesamtsystemeffizienz wichtig. Im Handel erhältliche Solarzellen (Stand 2006) erreichten Systemwirkungsgrade zwischen 5 und 19%.

Undotierte kristalline Siliziumelemente nähern sich der theoretischen Begrenzungseffizienz von 29,43%. Im Jahr 2017 wurde ein Wirkungsgrad von 26,63% in einer amorphen Silizium / kristallinen Silizium-Heterojunction-Zelle erreicht, die sowohl positive als auch negative Kontakte auf der Rückseite der Zelle platziert.

Energierückzahlung
Die Energierücklaufzeit ist definiert als die Erholungszeit, die zur Erzeugung der für die Herstellung eines modernen Photovoltaikmoduls aufgewendeten Energie benötigt wird. Im Jahr 2008 wurde er auf 1 bis 4 Jahre geschätzt, je nach Modultyp und Standort. Bei einer typischen Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren bedeutet dies, dass moderne Solarzellen Netto-Energieproduzenten wären, dh sie würden im Laufe ihrer Lebensdauer mehr Energie erzeugen als die Energie, die für ihre Herstellung aufgewendet wird. Im Allgemeinen erreichen Dünnschichttechnologien – trotz vergleichsweise niedriger Umwandlungseffizienzen – deutlich kürzere Energierückgewinnungszeiten als herkömmliche Systeme (oft & lt; 1 Jahr).

Eine Studie veröffentlicht im Jahr 2013, die die vorhandene Literatur gefunden, dass die Energierücklaufzeit zwischen 0,75 und 3,5 Jahren mit Dünnschicht-Zellen am unteren Ende und Multi-Si-Zellen mit einer Amortisationszeit von 1,5-2,6 Jahren war. Eine Überprüfung im Jahr 2015 bewertete die Energierücklaufzeit und den EROI der Photovoltaik. In dieser Metastudie, die eine Sonneneinstrahlung von 1700 kWh / m2 / Jahr und eine Systemlebensdauer von 30 Jahren verwendet, wurden mittlere harmonisierte EROIs zwischen 8,7 und 34,2 gefunden. Die durchschnittliche harmonisierte Energierücklaufzeit variierte zwischen 1,0 und 4,1 Jahren. Kristalline Silizium-Bauelemente erreichen im Durchschnitt eine Energierücklaufzeit von 2 Jahren.

Wie jede andere Technologie hängt die Herstellung von Solarzellen von einem komplexen globalen industriellen Fertigungssystem ab und setzt dieses voraus. Dies umfasst nicht nur die Herstellungssysteme, die typischerweise in Schätzungen der Produktionsenergie berücksichtigt werden, sondern auch die kontingenten Bergbau-, Raffinerie- und globalen Transportsysteme sowie andere energieintensive kritische Unterstützungssysteme, einschließlich Finanz-, Informations- und Sicherheitssysteme. Die Ungewissheit dieser Energiekomponente verleiht Unsicherheit hinsichtlich einer Schätzung der Amortisierungszeiten, die aus dieser Schätzung abgeleitet werden und von einigen als signifikant angesehen werden.

Technische Methoden zur Verbesserung der Effizienz

Auswahl des optimalen transparenten Leiters
Die beleuchtete Seite einiger Arten von Solarzellen, dünne Filme, haben einen transparenten leitenden Film, um Licht in das aktive Material eintreten zu lassen und die erzeugten Ladungsträger zu sammeln. Typischerweise werden Filme mit hoher Durchlässigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Indiumzinnoxid, leitende Polymere oder leitende Nanodraht-Netzwerke für diesen Zweck verwendet. Es gibt einen Kompromiss zwischen hoher Durchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, daher sollte eine optimale Dichte von leitenden Nanodrähten oder eine leitende Netzwerkstruktur für eine hohe Effizienz gewählt werden.

Förderung der Lichtstreuung im sichtbaren Spektrum
Durch Auskleidung der lichtempfangenden Oberfläche der Zelle mit nanometergroßen metallischen Noppen kann die Effizienz der Zelle wesentlich erhöht werden, da das Licht von diesen Noppen in einem schrägen Winkel zur Zelle reflektiert wird, was die Länge des Weges verlängert, den das Licht zurücklegt durch die Zelle hindurch, wodurch die Anzahl der von der Zelle absorbierten Photonen und somit auch die Menge an erzeugtem Strom erhöht wird.

Die wichtigsten Materialien für die Nano-Studs sind Silber, Gold und Aluminium, um nur einige zu nennen. Gold und Silber sind jedoch nicht sehr effizient, da sie einen Großteil des Lichts im sichtbaren Spektrum absorbieren, das den größten Teil der im Sonnenlicht vorhandenen Energie enthält, wodurch die Lichtmenge, die die Zelle erreicht, reduziert wird. Andererseits absorbiert Aluminium nur ultraviolette Strahlung und reflektiert sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht, so dass der Energieverlust an dieser Front minimiert wird. Aluminium ist daher in der Lage, die Effizienz der Zelle um bis zu 22% zu erhöhen (unter Laborbedingungen).

Strahlungskühlung
Eine Erhöhung der Solarzellentemperatur um ca. 1 ° C führt zu einer Effizienzminderung von ca. 0,45%. Um eine verminderte Effizienz aufgrund von Erwärmung zu verhindern, kann eine sichtbar transparente Siliciumdioxidkristallschicht auf ein Solarpaneel aufgebracht werden. Die Siliziumdioxidschicht wirkt als ein thermischer Schwarzkörper, der Wärme als Infrarotstrahlung in den Raum emittiert, die die Zelle um bis zu 13 ° C abkühlt.

Antireflexbeschichtungen und Texturen
Antireflexionsbeschichtungen könnten zu einer destruktiven Interferenz von einfallenden Lichtwellen von der Sonne führen. Daher würde alles Sonnenlicht in die Photovoltaik übertragen werden. Darüber hinaus ist die Texturierung, bei der die Oberfläche einer Solarzelle so verändert wird, dass das reflektierte Licht wieder auf die Oberfläche auftrifft, eine weitere Technik, um die Reflexion zu reduzieren. Diese Oberflächen können durch Ätzen oder Verwenden von Lithographie erzeugt werden. Das Hinzufügen einer flachen Rückfläche zusätzlich zum Texturieren der Vorderfläche trägt dazu bei, das Licht innerhalb der Zelle für eine längere optische Weglänge einzufangen.

Rückseitenpassivierung
Während an der Vorderseite von Solarzellen viele Verbesserungen für die Massenproduktion gemacht wurden, hält die Aluminiumrückseite Verbesserungen in der Effizienz zurück. Die Effizienz vieler Solarzellen hat durch die Erzeugung sogenannter passivierter Emitter- und Rear-Zellen (PERCs) profitiert. Die chemische Abscheidung eines Rückseiten-Dielektrikums-Passivierungsschichtstapels, der ebenfalls aus entweder einem dünnen Siliciumoxid- oder Aluminiumoxidfilm, der mit einem Siliciumnitridfilm überdeckt ist, hergestellt wird, trägt dazu bei, den Wirkungsgrad in Siliciumsolarzellen um über 1% zu verbessern. Dies trägt dazu bei, die Zelleneffizienz für kommerzielles Cz-Si-Wafer-Material auf 20,2% und die Zelleffizienz für Quasi-Mono-Si auf einen Rekord von 19,9% zu erhöhen.

Dünnschichtmaterialien
Thin-Film-Materialien zeigen vielversprechende Eigenschaften für Solarzellen in Bezug auf niedrige Kosten und Anpassungsfähigkeit an bestehende Strukturen und Frameworks in der Technologie. Da die Materialien jedoch so dünn sind, fehlt ihnen die optische Absorption, die Bulk-Material-Solarzellen haben. Während versucht wurde, dieses Problem zu korrigieren, wurde der Fokus auf die Rekombination der Dünnschichtoberfläche gelegt. Da dies der dominierende Rekombinationsprozess von nanoskaligen Dünnschichtsolarzellen ist, ist es entscheidend für deren Effizienz. Das Hinzufügen einer passivierenden dünnen Schicht aus Siliziumdioxid könnte die Rekombination reduzieren.