Amorphe Solarzellen: Eigenschaften und Vorteile der Dünnschicht-Photovoltaik

Auf dem Photovoltaikmarkt gibt es verschiedene Technologien von Modulen: monokristalline, polykristalline und amorphe Siliziumzellen. Die Wahl zwischen diesen Lösungen erfordert eine sorgfältige Bewertung von Faktoren wie Effizienz, Flexibilität und Installationsbedingungen.

Eine amorphe Solarzelle ist ein Solarmodul, das aus nicht-kristallinem Silizium besteht, das in dünnen Schichten auf einem Träger abgelagert wird und in der Lage ist, auch bei diffusem oder suboptimalem Licht elektrische Energie zu erzeugen.

Gerade aufgrund dieser Eigenschaft stellen amorphe Module eine interessante Alternative zu traditionellen Technologien dar: Monokristalline Paneele garantieren die höchste Effizienz dank ihrer Einkristallstruktur, polykristalline bieten einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Kosten, während amorphe Siliziumzellen sich durch Leichtigkeit und Anwendungsvielfalt auszeichnen, jedoch eine geringere Ertragsleistung pro Flächeneinheit aufweisen.

Insbesondere kann amorphes Silizium in Kontexten vorteilhaft sein, in denen die Sonnenstrahlung durch ungünstige klimatische Bedingungen oder durch planerische Einschränkungen abgeschwächt wird. Um Dimensionierungsfehler zu vermeiden, die die Leistung der Anlage beeinträchtigen könnten, ist es nützlich, sich auf Photovoltaik-Software zu verlassen, die die Planung und Analyse der Leistung präzise unterstützen kann.

Amorphe Solarzelle – Software Solarius-PV

Was sind amorphe Solarzellen?

Die amorphen Solarzellen sind eine Art von Photovoltaik-Technologie, die amorphes Silizium als Hauptmaterial zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie verwendet.

Im Gegensatz zu traditionellen kristallinen Modulen zeichnen sich diese Module durch die unterschiedliche Materialstruktur aus, die kein geordnetes Gitter aufweist, sondern eine unorganisierte Konfiguration hat.

Ästhetisch erkennt man sie an der einheitlichen Färbung, die in der Regel schwarz oder zumindest dunkel ist, sowie an einigen Eigenschaften, die sie im gestalterischen Bereich besonders interessant machen: Leichtigkeit, Flexibilität und Vielseitigkeit der Anwendung.

Dünnschichtmodul

Effizienz von amorphen Solarzellen: Erklärung und Funktionsweise

Die Effizienz von amorphen photovoltaischen Modulen ist eng mit ihrer Struktur und der Dünnschichttechnologie verbunden, die sie deutlich von kristallinen Siliziummodulen unterscheidet.

Im Gegensatz zu letzteren weist amorphes Silizium keine geordnete kristalline Struktur auf. Dieses Merkmal beeinflusst die elektronischen Eigenschaften des Materials und folglich die Fähigkeit zur Umwandlung von Sonnenenergie.

Dünnschichtzellen werden hergestellt, indem eine extrem dünne Schicht aus Halbleitermaterial auf ein Substrat, in der Regel aus Glas, durch Prozesse wie Verdampfung, Sprühbeschichtung oder elektrochemische Techniken aufgebracht wird. Die Dicke des aktiven Materials ist sehr gering, etwa 1–2 μm, im Vergleich zu 200–250 μm bei kristallinen Zellen (um mehr über die verschiedenen Typen und Konfigurationen zu erfahren, lesen Sie die Vertiefung zu photovoltaischen Zellen).

Diese Konfiguration hat einige direkte Auswirkungen auf die Leistung:

• geringere Effizienz im Vergleich zu monokristallinen und polykrystallinen Modulen;
• bessere Leistung unter diffusem Licht oder bei geringer Bestrahlung;
• geringere Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen.

Aus konstruktiver Sicht besteht ein amorphes Modul in der Regel aus einer transparenten Glasscheibe, auf der eine Schicht aus amorphem Silizium aufgebracht wird, die entsprechend behandelt wird, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Die der Sonne zugewandte Seite bleibt transparent, während die Rückseite die elektrischen Anschlüsse beherbergt.

Ein weiterer entscheidender Aspekt, der die Gesamteffizienz beeinflusst, ist die reduzierte Materialmenge: Die geringe Dicke ermöglicht eine kostengünstigere Produktion, führt jedoch auch zu einer geringeren Energieausbeute pro Flächeneinheit.

Dennoch bietet die Dünnschichttechnologie erhebliche Vorteile in Bezug auf Leichtigkeit, Flexibilität und architektonische Integration, wodurch diese Module besonders geeignet sind in Kontexten, in denen traditionelle Module weniger leistungsfähig oder schwierig zu installieren sind.

Vergleich der Effizienz zwischen verschiedenen photovoltaischen Technologien

Amorphe Solarzellen: Verwendete Materialien

Die Hauptmaterialien, die für die Herstellung von Dünnschichtmodulen verwendet werden, sind:

• amorphes Silizium: bei dem die Atome nicht in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet sind, sondern in einer ungeordneten Struktur. Dies unterscheidet es von kristallinem Silizium, das eine organisierte atomare Struktur hat. Der Begriff amorph stammt aus dem Griechischen und bedeutet wörtlich „formlos“;
• Cadmiumtellurid (CdTe): eine kostengünstige Dünnschichttechnologie, die Cadmium verwendet, ein als giftig eingestuftes Material. Cadmium unterliegt in der Regel Beschränkungen in elektrischen und elektronischen Geräten gemäß der europäischen Gesetzgebung; jedoch stellen Photovoltaikmodule einen speziellen Fall dar, für den Ausnahmen vorgesehen sind, die seine Verwendung unter kontrollierten Bedingungen ermöglichen;
• mikrokristallines Cadmiumsulfid (CdS): weist sehr niedrige Produktionskosten auf, da die für seine Herstellung verwendete Technologie nicht die extrem hohen Temperaturen erfordert, die für das Schmelzen und die Reinigung von Silizium notwendig sind. Es wird auf ein Metallsubstrat durch Sprühbeschichtung aufgetragen, das heißt, es wird wie eine Farbe aufgesprüht. Zu den Nachteilen, die mit der Herstellung dieser Art von Photovoltaikzellen verbunden sind, gehören die Toxizität von Cadmium und der niedrige Wirkungsgrad des Geräts;
• Galliumarsenid (GaAs): eine Legierung, die sehr hohe Wirkungsgrade gewährleistet, aufgrund der Eigenschaft, eine direkte Bandlücke zu haben, im Gegensatz zu Silizium. Es wird hauptsächlich für militärische oder fortschrittliche wissenschaftliche Anwendungen verwendet, wie automatisierte Missionen zur planetarischen Erkundung oder besonders empfindliche Fotodetektoren;
• Copper-Indium-Selenid (CIS): mit einer Opazität, die von 100 % bis 70 % variiert, erreicht durch direkt in den Film eingearbeitete Löcher;
• Copper-Indium-Gallium-Selenid (CIGS): die vielversprechendste Photovoltaiktechnologie, die aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen besteht. Diese vier Materialien ermöglichen es den potenziellen Leistungen der CIGS, viel höher zu sein als bei jedem anderen Dünnschichtmaterial. CIGS produziert bei gleicher Lichtmenge mehr Elektrizität als andere Dünnschichtmaterialien und hat daher einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, der über die Zeit extrem stabil bleibt, was bedeutet, dass die Leistungen über viele Jahre hinweg konstant bleiben.

Unterschied zwischen amorphen und kristallinen Photovoltaikmodulen

Die Hauptvariation zwischen amorphen, monokristallinen und polykristallinen Photovoltaikmodulen liegt in der Effizienz, also dem Verhältnis zwischen der produzierten Energie und der von den Modulen belegten Fläche.

Insbesondere sind die effizientesten Photovoltaikmodule diejenigen, die weniger Platz benötigen, um die gleiche Menge an Energie zu erzeugen, bei gleichen Bedingungen wie Sonneneinstrahlung, Temperatur und anderen externen Faktoren, die den Betrieb der Anlage beeinflussen.

Daher:

• die monokristallinen Module zeichnen sich durch eine höhere Effizienz aus, mit einem Prozentsatz, der zwischen 15 und 20 % variiert, und benötigen ungefähr 6 m² zur Erzeugung von 1 kW Leistung;
• die polykristallinen Photovoltaikmodule zeigen eine niedrigere Effizienz und benötigen eine größere Fläche: ungefähr 8 m² zur Erzeugung von 1 kW Leistung;
• die amorphe Photovoltaikmodule haben einen Produktionswirkungsgrad von etwa 6 % und benötigen eine Fläche von 11 bis 13 m², um 1 kW Leistung zu erzeugen.

Berücksichtigt man die Effizienz unter verschiedenen Temperaturbedingungen:

• die monokristallinen Module sind bei niedrigen Temperaturen effizienter und übertreffen in der Effizienz die polykristallinen Module, wenn die Sonnenintensität gering ist;
• die polykristallinen Module hingegen produzieren bei hohen Temperaturen mehr, da sie besser in der Lage sind, Hitze zu tolerieren;
• die amorphe Photovoltaikmodule haben geringere Effizienzen, bieten jedoch den Vorteil, dass sie unter Bedingungen hoher Temperaturen oder diffusem Licht besser arbeiten.

Eine weitere bedeutende Unterscheidung betrifft die Kosten der Module:

• die monokristallinen Module sind in der Regel teurer;
• die polykristallinen Module sind kostengünstiger;
• die Dünnschichtmodule sind die günstigsten auf dem Markt.

Eine weitere Unterscheidung betrifft die Struktur:

• die monokristallinen Module sind schwarz und weisen eine geordnete Struktur auf; die polykristallinen Module sind von gemischter blauer Farbe und zeigen eine unordentlichere Struktur;
• die amorphen Photovoltaikmodule haben eine nicht vorhandene Struktur in Bezug auf die Zellen, die sie bilden, bieten jedoch im Vergleich zu traditionelleren Technologien eine große Vielseitigkeit in der Anwendung.

Vergleich zwischen Arten von Solarmodulen

Vorteile und Nachteile von amorphen Solarzellen

Die amorphen Photovoltaikmodule bieten einige herausragende Vorteile im Vergleich zu traditionellen Technologien, insbesondere in Bezug auf Kosten und Flexibilität in der Nutzung.

Zu den wichtigsten Stärken der Dünnschichttechnologie gehören:

• geringe Produktionskosten, dank des reduzierten Einsatzes von Halbleitermaterial;
• gute Leistung bei hohen Temperaturen, der Ertragsrückgang ist geringer als bei kristallinen Modulen;
• höhere tatsächliche Effizienz in warmen Klimazonen, mit einer Produktion, die auch 5–10% höher pro installiertem Watt sein kann;
• geringere Empfindlichkeit gegenüber Verschattung, mit geringeren Verlusten in schattigen Bereichen;
• bessere Anpassungsfähigkeit an Oberflächen, auch bei nicht optimalen Neigungen;
• gute Leistung bei diffusem Licht oder bewölktem Himmel;
• Leichtigkeit und Flexibilität, ideal für integrierte architektonische Anwendungen;
• einfachere Produktionsprozesse und geringerer Materialeinsatz;
• Verwendung von allgemein ungiftigen und umweltfreundlichen Substanzen.

Ein besonderer Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt, ist der sogenannte anfängliche Degradationsprozess: die amorphen Module erfahren unmittelbar nach der Produktion einen Rückgang der Leistung, der sich im Laufe der Zeit stabilisiert.

Neben den Vorteilen gibt es jedoch auch einige Einschränkungen:

• geringere Energieausbeute im Vergleich zu monokristallinen und polykristallinen Modulen;
• Notwendigkeit größerer Flächen, um die gleiche Energieproduktion zu erreichen;
• geringere Verbreitung auf dem Markt, mit einer begrenzteren Verfügbarkeit im Vergleich zu kristallinen Technologien.

Beste Anwendungen von amorphen Solarzellen

Dank ihrer Leichtigkeit, Flexibilität und guten Leistung unter suboptimalen Lichtbedingungen finden amorphe Photovoltaikmodule Anwendung in Kontexten, in denen traditionelle Module weniger effektiv oder schwer zu installieren sind.

Sie sind besonders geeignet für:

• architektonische Integration (BIPV), beispielsweise an Fassaden, leichten Dächern oder unkonventionellen Oberflächen;
• Dächer mit begrenzten Lasten, wo das reduzierte Gewicht einen planerischen Vorteil darstellt;
• gebogene oder unregelmäßige Oberflächen, dank der Möglichkeit, flexible Module zu verwenden;
• Systeme in Bereichen mit diffusem oder variablem Licht, wie dichten städtischen Zonen oder oft bewölkten Klimazonen;
• mobile oder temporäre Anwendungen, wie Wohnmobile, Boote oder provisorische Strukturen;
• Geräte mit geringer Leistung, wie autonome Beleuchtung, Sensoren oder Off-Grid-Systeme.

Im Allgemeinen erweisen sich amorphe Module als eine effektive Wahl, wenn das Ziel nicht darin besteht, die Ausbeute pro Quadratmeter zu maximieren, sondern Kontinuität in der Produktion und planerische Anpassungsfähigkeit zu gewährleisten.

Hauptanwendungen der amorphen Photovoltaikmodule

Wie lange halten amorphe Solarzellen?

Die Lebensdauer von amorphen Photovoltaikmodulen ist generell kürzer im Vergleich zu kristallinen Siliziummodulen, jedoch dennoch ausreichend für viele Anwendungen.

Im Durchschnitt liegt die Lebensdauer zwischen 10 und 20 Jahren, abhängig von der Qualität des Produkts und den Installationsbedingungen.

Ein charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist der sogenannte anfängliche Abbau (Staebler-Wronski-Effekt): Unmittelbar nach der Inbetriebnahme erfahren die Module eine Leistungsminderung, die sich im Laufe der Zeit stabilisiert.

Nach dieser Anfangsphase erfolgt der Effizienzverlust langsamer und gleichmäßiger. Im Vergleich zu monokristallinen und polykristallinen Modulen ist der Gesamtertragsverlust über einen längeren Zeitraum jedoch in der Regel ausgeprägter.

Aus diesem Grund ist es bei der Planung wichtig, Folgendes zu berücksichtigen:

• die voraussichtliche Lebensdauer der Anlage;
• den Nutzungskontext;
• das Verhältnis zwischen anfänglichen Kosten und langfristiger Leistung.

Auswahl amorpher Photovoltaikmodule: Planungsrichtlinien

Die Entscheidung, amorphe Photovoltaikmodule zu verwenden, hängt eng mit den spezifischen Anforderungen des Projekts zusammen.

Diese Technologie stellt eine vorteilhafte Lösung dar, wenn:

• der verfügbare Raum groß, aber nicht perfekt ausgerichtet ist;
• strukturelle oder gewichtliche Einschränkungen bestehen;
• eine hohe architektonische Integration gefordert ist;
• die Bestrahlungsbedingungen nicht optimal sind (diffuses Licht, Beschattungen)

Im Gegensatz dazu, wenn das Hauptziel darin besteht, die maximale Energieeffizienz auf begrenztem Raum zu erreichen, bleiben kristalline Siliziummodule in der Regel die leistungsstärkste Wahl.

In der Planungsphase ist es daher entscheidend, den Kontext sorgfältig zu bewerten, wobei nicht nur die nominale Effizienz, sondern auch Faktoren wie Umgebungsbedingungen, verfügbare Flächen und architektonische Anforderungen berücksichtigt werden sollten.

Wann amorphe oder kristalline Module wählen?

Se Sie die Nutzung von Solarpanelen, amorphen oder kristallinen, in Betracht ziehen, ist es entscheidend, auf zuverlässige Werkzeuge für die Analyse und die Planung der Anlage zurückgreifen zu können.

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FAQ zu amorphen Photovoltaikmodulen

Was bedeutet amorphes Photovoltaikmodul?

Ein amorphes Photovoltaikmodul ist ein Dünnschichtmodul, das aus nicht-kristallinem Silizium besteht, das auf einem Träger wie Glas abgelagert wird. Diese Struktur ermöglicht die Erzeugung von elektrischem Strom auch bei diffusem oder suboptimalem Licht.

Was ist amorphes Silizium?

Amorphes Silizium ist ein Material, bei dem die Atome nicht in einem geordneten kristallinen Gitter angeordnet sind, sondern unorganisiert. Diese Struktur unterscheidet es von kristallinem Silizium und beeinflusst seine elektronischen Eigenschaften sowie die photovoltaischen Leistungen.

Wie effizient ist ein amorphes Photovoltaikmodul?

Amorphe Module haben eine geringere Effizienz im Vergleich zu kristallinen, in der Regel etwa 6%. Sie können jedoch stabilere Leistungen bei hohen Temperaturen oder niedrigem Lichtangebot bieten.

Was sind die Hauptvorteile von amorphen Modulen?

Zu den Hauptvorteilen gehören:

• niedrigere Produktionskosten;
• gute Leistung bei diffusem Licht;
• geringere Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen;
• Leichtigkeit und Flexibilität;
• höhere Anpassungsfähigkeit an unkonventionelle Oberflächen.

Was sind die Nachteile von amorphen Photovoltaikmodulen?

Die Hauptnachteile betreffen:

• geringere Energieausbeute;
• höherer Flächenbedarf zur Erzeugung derselben Energie;
• geringere Verbreitung im Vergleich zu kristallinen Modulen.

In welchen Fällen lohnt es sich, amorphe Photovoltaikmodule zu verwenden?

Sie sind geeignet, wenn:

• der Raum groß, aber nicht perfekt ausgerichtet ist;
• Gewichts- oder Strukturvorgaben bestehen;
• architektonische Integration erforderlich ist;
• die Lichtverhältnisse variabel oder suboptimal sind.

Wie lange halten amorphe Solarmodule?

Die durchschnittliche Lebensdauer liegt zwischen 10 und 20 Jahren. Nach einem anfänglichen Leistungsabfall, der für diese Technologie typisch ist, tendiert der Ertrag dazu, sich im Laufe der Zeit zu stabilisieren.

Funktionieren amorphe Module auch bei wenig Licht?

Ja, dank ihrer Dünnschichttechnologie arbeiten sie besser als traditionelle Module bei diffusem Licht oder bewölktem Himmel.

Was ist der Unterschied zwischen amorphen und kristallinen Modulen?

Der Hauptunterschied betrifft die Struktur und Effizienz:

• kristalline Module sind effizienter, aber weniger flexibel;
• amorphe Module haben eine geringere Ausbeute, aber eine höhere Anpassungsfähigkeit und bessere Leistungen unter nicht idealen Bedingungen.