Ein Tomatenpigment könnte der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz von Solarmodulen sein

Jun 09, 2023

JONGHO SHIN/iStock

Einer der Hauptnachteile der Solarenergie liegt in der unterschiedlichen Effizienz der Solarmodule.

Die Begriffe „Solarmodul-Effizienz“ und „Solarzellen-Effizienz“ beziehen sich auf die Menge an Sonnenlicht, die jede Photovoltaik-Technologie in nutzbare Energie umwandeln kann.

Typischerweise liegt der Wirkungsgrad von Solarzellen zwischen 15 und 22 Prozent, je nach Standort, Wetter und anderen natürlichen Bedingungen sowie der Art der verwendeten Solarstromanlage.

Wikimedia Commons/Mark Buckawicki

In den letzten Jahren haben jedoch notwendige Fortschritte in der Photovoltaik-Technologie dazu beigetragen, diese Zahlen zu steigern.

Im Jahr 2022 wird eine der unglaublichsten Entdeckungen auf diesem Gebiet einem Team chinesischer Forscher zugeschrieben, das herausfand, dass Lycopin, das Pigment, das Tomaten rot macht, den Wirkungsgrad von Solarzellen auf Perowskitbasis von 20,57 Prozent auf 23,62 Prozent steigert.

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Einige Arten von Solarmodulen sind leistungsfähiger als andere.

Derzeit basieren die meisten kommerziellen Solarmodule (rund 90 Prozent) auf Silizium, da dies eine relativ kostengünstige Option ist, da sie bis zu 25 Jahre halten und keinen großen Wartungsaufwand erfordern.

Sie überschreiten jedoch selten einen Wirkungsgrad von 20 bis 25 Prozent.

Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen auf Siliziumbasis:

Solarmodule aus amorphem Silizium. Diese Art von Solarpanel ist eine der günstigsten Alternativen auf dem Markt und enthält dünne Filme aus einer nichtkristallinen Form von Silizium, das als amorphes Silizium (a-Si) bezeichnet wird und als Halbleitermaterial fungiert. Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt bei etwa 6 bis 13 Prozent.

Polykristalline Silizium-Solarmodule.Diese Solarmodule enthalten Fragmente einer hochreinen, polykristallinen Form von Silizium, die zu dünnen Scheiben zusammengeschmolzen sind und die Solarzellen bilden.

Wikimedia Commons/Mariojan Foto

Diese Solarmodule auf Siliziumbasis haben viele Kristalle, wodurch es für Elektronen schwieriger ist, sich durch sie zu bewegen. Daher liegt der Wirkungsgrad dieser Art von Solarmodulen normalerweise bei etwa 13 bis 16 Prozent.

Monokristalline Silizium-Solarmodule. Diese Solarmodule bestehen aus reinem einkristallinem Silizium, das in Wafern angeordnet ist. Sie haben eine dunkelschwarze Farbe und einen Wirkungsgrad von etwa 17 bis 24 Prozent. Ihre Herstellung kann jedoch aufwendig und teuer sein.

Amerikanische Solarenergiegesellschaft

Dann gibt es Perowskit-Solarmodule, die aus perowskitstrukturierten Verbindungen als lichtabsorbierende Schicht bestehen. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die auf der Kristallstruktur von Calciumtitanat basieren und die Einlagerung verschiedener Kationen (positiv geladene Ionen) ermöglichen.

Perowskit-Solarmodule aus Bleihalogenid-Perowskiten sind kostengünstiger und effizienter als Solarmodule auf Siliziumbasis (der Wirkungsgrad liegt bei etwa 25 Prozent). Sie werden jedoch durch Feuchtigkeit, Hitze, Licht und andere Faktoren leicht abgebaut.

Wikimedia Commons/Stanford ENERGY, Mark Shwartz

Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer sind diese Solarmodule derzeit auf dem Markt nicht wettbewerbsfähig. Dennoch sind ihre anderen Eigenschaften vielversprechend und die Wissenschaftler haben die Suche nach neuen Wegen zur Erhöhung der Stabilität, Haltbarkeit und Effizienz der Panels nicht aufgegeben.

Hier kommt Lycopin, der „Tomatenfarbstoff“, ins Spiel.

Lycopin ist ein natürliches Antioxidans. Dadurch hemmt es die Oxidation, die chemische Reaktion, die für die Entstehung freier Radikale verantwortlich ist.

Freie Radikale sind Ionen, Atome oder Moleküle mit einer ungeraden Elektronenzahl. Dadurch werden sie instabil und können Reaktionen auslösen, die die DNA verändern und in lebenden Organismen Zellschäden verursachen.

Lycopin bindet an die freien Radikale, die durch die ultraviolette Strahlung der Sonne entstehen, und macht sie dadurch stabiler. Auf diese Weise schützt das Pigment Tomaten und andere rote Früchte vor UV-Strahlen, indem es Zellschäden in ihrem Hautgewebe reduziert.

Wikimedia Commons/Jeff Dahl

Vor diesem Hintergrund stellten die chinesischen Forscher die Hypothese auf, dass Lycopin den durch UV-Strahlen erzeugten Abbau von Perowskit-Solarmodulen verringern und deren Haltbarkeit erhöhen könnte.

Doch nach den Tests fanden sie heraus, dass Lycopin die Korngrenzen (die Grenzfläche zwischen zwei Körnern oder Kristalliten in polykristallinen Materialien) passivierte, die Kristallinität und Transparenz verbesserte und die Dichte der Elektronenfallen verringerte – was insgesamt den elektrischen Fluss verbesserte die Solarpaneele und steigert so auch deren Effizienz.

Allerdings ist dies nicht das erste Mal, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, die Effizienz von Perowskit-Solarmodulen zu verbessern.

Im April 2021 fügte ein Team der City University of Hong Kong Ferrocene, eine eisenbasierte organometallische Verbindung, die erstmals 1951 an der Duquesne University hergestellt wurde, zu Perowskit-Solarzellen hinzu und steigerte deren Effizienz auf 25 Prozent, während es gleichzeitig den von der University of Hong Kong festgelegten Stabilitätstest bestand Internationale Elektrotechnische Kommission.

Im September desselben Jahres entwickelten Forscher aus den Niederlanden ein vierpoliges Perowskit-Silizium-Tandemgerät, das eine Mischung aus Silizium-Solarzellen und Perowskit-Solarzellen nutzte, um Energie aus sichtbarem Licht und dem Infrarotspektrum (durch die Silizium-Solarzellen) zu extrahieren das ultraviolette Spektrum (durch die Perowskit-Solarzellen). Das Gerät erreichte einen Wirkungsgrad von 30,1 Prozent.

Bei Solarmodulen auf Siliziumbasis besteht eine Möglichkeit zur Verbesserung ihrer Effizienz darin, dünne Schichten aus Perowskit oder anderen lichtabsorbierenden Materialien (z. B. Siliziumoxid) hinzuzufügen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Spiegelreflektoren in bestimmten Winkeln in der Nähe der Solarmodule zu platzieren, damit diese mehr Sonnenlicht absorbieren.

Darüber hinaus können Fresnel-Linsen als Solarkonzentratoren verwendet werden, um Solarmodule zu bauen, die das empfangene Sonnenlicht buchstäblich auf ihre Solarzellen konzentrieren.

Abgesehen von den oben genannten Techniken kann die Effizienz von Solarmodulen durch Folgendes beeinflusst werden:

Wetterverhältnisse. Hohe Temperaturen sind für die Solarstromproduktion problematisch, da die Wärme die Spannungsabgabe der Solarmodule verringert. Die Bewölkung verringert die direkte Sonneneinstrahlung, die Solarpaneele erhalten, und starker Schneefall kann sie vollständig blockieren.

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Ausrichtung und Winkel. Um eine höhere Effizienz zu erzielen, müssen Solarmodule so weit wie möglich der Sonne ausgesetzt werden. Sie sollten auf der Nordhalbkugel nach Süden und auf der Südhalbkugel nach Norden ausgerichtet sein. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine feste Ausrichtung ideal ist. Empfohlen wird Ausrüstung zur Verfolgung der Sonnenbewegung.

Schattierung. Durch Verschattung kann sich die Effizienz von Solarmodulen um mehr als die Hälfte verringern. Alle Arten von Solarmodulen funktionieren besser, wenn sie entfernt von hohen Bäumen oder anderen schattenwerfenden Objekten installiert werden und/oder wenn sie parallel zu den Solarzellen geschaltete Bypass-Dioden haben.

Wartung. Mit der Zeit sammeln sich Staub und Schmutz in den Solarmodulen an und verringern so deren Leistung. Regen wäscht den Schmutz oft weg, weshalb Solarmodule nur sehr wenig Wartung erfordern. Fakt ist jedoch, dass Solarmodule sauber bleiben müssen, um eine maximale Effizienz zu erzielen.

Sonneneinstrahlung. „Sonneneinstrahlung“ bezieht sich auf die Energie des Sonnenlichts pro Flächeneinheit im Zeitverlauf. Regionale Schwankungen der Sonneneinstrahlung je nach Standort des Solarpanels können im Power Data Access Viewer der NASA überprüft werden.