Gastkommentar

Wir müssen den Energie-Ertrag von Solarzellen und Panels maximieren

| Autor / Redakteur: Jef Poortmans / Thomas Kuther

Jef Poortmans: ist Scientific Director Photovoltaics beim Forschungsinstitut Interuniversity Micro Electronics Centre (IMEC) in Leuven, Belgien.
Jef Poortmans: ist Scientific Director Photovoltaics beim Forschungsinstitut Interuniversity Micro Electronics Centre (IMEC) in Leuven, Belgien. (Bild: Imec)

Mit dem Übergang auf die Smart Grids der Elektrizitätsversorgung stellen wir fest, dass die Kosten pro Watt Peak nicht länger die wichtigste Kenngröße sind, sondern die realen Kosten pro Kilowattstunde.

In der Vergangenheit standen bei der Solartechnik möglichst niedrige Kosten „pro Watt Peak“ im Vordergrund des Interesses. Solarzellen und Panels wurden für die Erzeugung der größt­möglichen Leistung zu geringsten Kosten optimiert – wenn auch unter idealen Betriebsbedingungen und Beleuchtungssituationen (mit standardisierten Lichttests).

Jetzt, beim Übergang auf die Smart Grids der Elektrizitätsver­sorgung, konstatieren wir eine deutliche Verschiebung dieser Zielsetzung: die Kosten pro Watt Peak sind nicht länger die wichtigste Kenngröße. Stattdessen sind es die realen Kosten pro Kilowattstunde. In anderen Worten: Unsere Solarzellen und Panels sollen so viel Energie wie möglich produzieren, und zwar unter realen lokalen Betriebsbedingungen. Als Antwort auf diesen Trend haben wir bei imec im letzten Jahr eine Simulationsumgebung geschaffen, die es ermöglicht, den Energie-Ertrag von Solarzellen und Panels im Voraus zu bestimmen und zu optimieren.

Das dazu erstellte Modell besteht aus zwei Komponenten: Die eine Komponente erlaubt es uns, den Energie-Ertrag bei unterschiedlichen Wetterbedingungen vorauszusagen. Die zweite Komponente unseres Modells ermöglicht uns die Durchführung systematischer Technologie-Optimierungen in Form von „What-If“-Analysen.

Die Vorhersage des Energie-Ertrags bei unterschiedlichen Wetterbedingungen ist wichtig, da der Lichteinfall, die mittlere Temperatur und die Windgeschwindigkeit über dem Solarpanel an jedem Aufstellungsort anders sind – sie unterscheiden sich ebenso von Land zu Land, ja sogar von einem Augenblick zum andern. In unserem Modell können wir sehr genau und für sehr kurze Zeitabschnitte (Stunden, Minuten, sogar Sekunden) vorhersagen, wie viel Elektrizität ein bestimmter Solarzellentyp unter bestimmten Umgebungsbedingungen (Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Temperatur, Wolkenbildung, etc.) produzieren wird. Die Vorhersage der aktuellen Elektrizitätserzeugung ist ein wichtiger Faktor bei der Stabilisierung elektrischer Netze.

Mit der zweiten Komponente sind uns systematische Technologie-Optimierungen in Form von „What-If“-Analysen möglich. Indem wir unterschiedliche Technologie-Parameter durchspielen, können wir die richtigen Auswahl-Entscheidungen treffen. Als Beispiel: Was ist der Effekt auf den Energie-Ertrag, wenn man dünneres Glas zur Frontabdeckung der Solarzelle verwendet? Oder was geschieht, wenn man einen anderen oder dünneren Layer zur Verkapselung der Zelle wählt?

Eine besondere Stärke unseres Modells liegt in der Zusammenschau der elektrischen, thermischen und optischen Information. Und da es im Bottom-up-Prinzip strukturiert ist, lässt es sich für die Siliziumtechnologie ebenso wie für organische Solarzellen einsetzen. Wir bieten dieses Modell auch unseren Partnern in der Industrie zur weiteren Kommerzialisierung ihrer Produkte und Tests unter den Bedingungen der realen Welt.

Natürlich können wir den Energie-Ertrag von Solarzellen nur maximieren, wenn wir mit den jeweils besten Ausführungen arbeiten. Deshalb ist es weiterhin wichtig, die Performance der einzelnen Solarzellen-Technologien auf klassischem Weg inkrementell zu steigern (Si-PV, organische PV, etc.). So hat imec 2015 Solarzellen hergestellt, deren Effizienz die Begrenzungen kristalliner Siliziumzellen übertrifft.

Imec hat außerdem 2015 neue Rekordwerte der Effizienz für n-PERT-Solarzellen erzielt (22,5% für eine Sechs-Zoll-Ausführung). Das Gleiche gilt für Perovskit-Solarzellemmodule (mit 13% Wandlerwirkungsgrad). Wir kombinieren außerdem das Beste beider Welten durch das Stapeln von Perovskit-basierten Solarzellen über einer konventionellen Si-Solarzelle. Mit dieser Tandem-Konfiguration sollten Wirkungsgrade über 30% erreichbar sein.

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