Die installierte Gesamtkapazität von Solarmodulen auf der Erde hat sich in den letzten zehn Jahren um mehr als das 15-fache erhöht und 700 GW erreicht. Aber dieses Segment der Energiewirtschaft ist ziemlich klein – im Jahr 2020 produzierten Sonnenkollektoren auf der Erde nur etwa 3 % des weltweiten Stroms. Und vor zehn Jahren war es eine Größenordnung weniger - etwa 0,2 %.

1883 schuf der amerikanische Ingenieur Fritts einen Prototyp einer Solarzelle aus vergoldetem Selen mit einem Wirkungsgrad von 1 %.

Der italienische Wissenschaftler armenischer Herkunft Giacomo Chamichan stellte 1912 das Projekt seiner Solarbatterie vor.

In den 1930er Jahren wurden in der UdSSR unter der Leitung des Akademikers Abram Ioffe Thalliumsulfid-Fotozellen hergestellt.

Nahezu moderne Solarzellen auf Basis von Siliziumhalbleitern wurden erstmals in den BellLaboratories hergestellt. Der Wirkungsgrad ihrer Batterien betrug nur 4 %. Trotzdem ging 1958 der amerikanische Satellit Vanguard 1 mit solchen Batterien ins All. Im selben Jahr flog die sowjetische Sputnik-3 mit Silizium-Solarbatterien an Bord ins All.

Der Leistungskoeffizient (COP) von in Massenproduktion hergestellten industriellen Solarzellen (mit Elektronik ausgestattete Siliziummodule) ist in den letzten 10-15 Jahren von 16% auf 20% und in Laborproben (nicht verkapselte Zellen) auf bis zu 24 gestiegen -26%. Die theoretische Grenze von monokristallinen Siliziumbatterien liegt bei 29,4 %. Dieser Solarzellentyp ist nach wie vor der beliebteste, wie schon vor Jahrzehnten. Es nimmt etwa 95 % des derzeitigen Marktes für Photovoltaikzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie ein.

Die "sonnigsten" Länder

Es ist sehr schwierig, die durchschnittliche Entwicklung der Solarenergie auf der Erde abzuschätzen. In manchen Ländern existiert sie gar nicht, in anderen ist sie nur symbolisch, in manchen macht sie aber bereits einen erheblichen Anteil an der gesamten Energieerzeugung aus. Führend auf diesem Gebiet ist zweifellos China, wo von 2010 bis 2020 die elektrische Gesamtnennleistung aller Module von Solarenergieumwandlungsquellen 253 GW betrug. Das ist eineinhalb Mal mehr als in allen EU-Ländern zusammen. Fast viermal weniger ist die installierte Kapazität von Solarzellen, die im gleichen Zeitraum in den Vereinigten Staaten (73,8 GW) und Japan (67 GW) auftauchte. Nicht weit davon entfernt sind Deutschland (53,8 GW), Indien (39 GW), Italien (21,6 GW), Australien (17 GW), Vietnam (16,5 GW), Frankreich (11,7 GW). Andere Länder, darunter Solar-Brasilien und Thailand, produzierten Anlagen mit einer Nennkapazität von Solarkraftwerken von weniger als 10 GW in zehn Jahren, und einige, wie Argentinien, weniger als 1 GW. Bei der Berichterstattung über die Entwicklung der Solarbranche greifen Experten selten auf absolute Werte zurück, da diese Zahlen in den meisten Ländern sehr nachteilig wirken. Am häufigsten beziehen sie sich auf Rekordwachstumsraten, die in vielen Staaten tatsächlich solche sind. Beispielsweise hat Russland seit 2015 die Erzeugung von Solarenergie um das 14-fache gesteigert – von 0,1 GW auf 1,4 GW. Außerdem stieg dieser Wert allein im Jahr 2020 um 39 % (von 1,1 GW auf 1,4 GW). Die Zahlen sind immer noch winzig, aber das Tempo ist ausgezeichnet.

Einkristall-Solarzellen (dünne Platten aus einem Stück Silizium) sind zuverlässig, "Eigentumswohnung", langlebig, mit ihren offensichtlichen Vor- und Nachteilen. Für kurze Zeit verloren sie im Preis gegenüber Dünnschicht-Solarzellen, bei denen Schichten aus amorphem (ohne kristalline Struktur von Atomen) Silizium auf gewöhnlichem Glas oder einem anderen Substrat abgeschieden wurden. Aber der Wirkungsgrad solcher Zellen betrug nur 10 %, und die Preise für einkristallines Silizium fielen, und bald besetzten Dünnschicht-Solarzellen ihre kleine Nische - ein billiges Segment leichter Handybatterien, zum Beispiel zum Aufladen von Telefonen in der Natur . Das Hauptaugenmerk bei der Verbesserung der Technologie als vielversprechende grüne Alternative zu Kohlenwasserstoffbrennstoffen liegt heute auf der Einkristalltechnologie, bei der das zentrale Element dünn geschnittene Wafer-Scheiben aus einem einzelnen Silizium-"Barren" sind.

Alle mit Filmen bedeckt

Labore experimentieren mit verschiedenen Verbindungen, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Wenn Forscher bei einigen Parametern hervorragende Ergebnisse erzielen, verlieren sie unweigerlich bei anderen, und dieser endlose Prozess des Kampfes um technische Überlegenheit bei gleichzeitiger Wahrung der wirtschaftlichen Zweckmäßigkeit ist wie ein globaler Wettlauf, um die beste Lösung schneller und billiger zu finden. Jetzt liegt die Hauptwette in diesem Rennen auf Heterostrukturen. Sie werden als Substratvorrichtungen klassifiziert, da sie einen Einkristall-Siliziumwafer als Substrat verwenden. Es ist auf beiden Seiten mit mehreren Folien aus unterschiedlichen Materialien beklebt, jede mit ihrer eigenen Funktion. Üblicherweise befinden sich auf beiden Seiten des Einkristalls dünne Filme aus amorphem Silizium. Kristallines und amorphes Silizium sind zwei Materialien mit unterschiedlichen Strukturen, daher der Begriff „Hetero“.„Die Industrie in Bezug auf Effizienz wird in Einheiten und sogar in Zehntelprozent gezählt. Beispielsweise führte eine Erhöhung des durchschnittlichen Wirkungsgrads eines Solarmoduls einer Standardgröße von 15 % auf 20 % zu einer Erhöhung seiner Nennleistung von 250 W auf 370 W, also um das Anderthalbfache “, erklärte er Kandidat der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, Senior Researcher am Institut für Thermische Physik sie. S. S. Kutateladze von der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften Alexander Zamchiy die Beziehung "kleiner" Siege bei der Steigerung des Wirkungsgrads einer Solarzelle mit revolutionären praktischen Ergebnissen.

Alexander hat im Rahmen eines DAAD-Stipendienpraktikums als Teil eines großen internationalen Teams am Institut für Energieforschungszentrums Jülich an der Verbesserung der Effizienz von Solarzellen gearbeitet. Die in NatureEnergy veröffentlichte Arbeit wurde mit Kollegen aus den Niederlanden, Russland, China und Ecuador durchgeführt. Die Forscher konnten herausfinden, dass die als Frontkontaktfolie für Einkristall-Silizium-Solarzellen verwendeten Schichten aus Karbid und Siliziumdioxid die Korrektur der allermeisten strukturellen Defekte, die die Leitfähigkeit der Silizium-Wafer-Oberfläche reduzieren, vereinen und bereitstellen können hohe optische Transparenz.

Durchsichtiger als unsichtbar

Ein 200 Mikrometer dicker Siliziumwafer (Hersteller versuchen, ihn dünner zu machen, um die Kosten zu senken) ist eine Monostruktur, in der Photonen (Lichtteilchen) absorbiert und Ladungsträger geboren werden. Während die (meist chinesische) Industrie die Qualitätsmerkmale von Serienprodukten verbessert, experimentieren die führenden Labore der Welt mit völlig neuen Ansätzen für die Architektur von Solarzellen. Die drei Hauptparameter, um die hartnäckig gekämpft wird, sind Transparenz, Leitfähigkeit und Passivierung von Front-Dünnschichtbeschichtungen. Wissenschaftler wählen Materialkombinationen aus und bedecken sie mit einer Silizium-Einkristallplatte von verschiedenen Seiten.

Durch die Verwendung von Halbleiterfilmen auf beiden Seiten des Kristalls haben Wissenschaftler beispielsweise gelernt, wie man Defekte auf der Oberfläche eines Siliziumkristalls korrigiert, wo oft ein Siliziumatom im Kristallgitter fehlt, was den Stromfluss erschwert. Filmbeschichtungen aus verschiedenen Halbleiterverbindungen lösen dieses Problem perfekt – Physiker nennen Passivierung den Effekt, die Leitfähigkeit eines Einkristalls mit Hilfe von Filmen zu „korrigieren“. Für die Passivierung auf der Vorderseite (Oberseite) des Solarzellenpanels verwendeten die Forscher anstelle von herkömmlichem amorphem Silizium einen Film aus Dioxid und zweischichtigem Siliziumkarbid, wobei eine Schicht reich an Wasserstoff (hydriert) ist. Eine dünne Schicht (1,5 nm) Siliziumdioxid (Glas) passiviert die Kontakte perfekt. Ein für das Auge unsichtbarer Dioxidfilm ist eine notwendige Maßnahme, da dickes Glas keinen Strom leitet.

Wasserstoff in der Siliziumkarbidschicht erfüllt die Funktion der Passivierung oder Bindung, d. h. "repariert" gebrochene Bindungen, damit Strom fließen kann. Das verkraftet amorphes Silizium natürlich nicht so gut, aber im Gegensatz dazu hat der Carbidfilm auch eine hohe Transparenz und Leitfähigkeit. Die wasserstoffhaltige Schicht des Carbidfilms hat jedoch nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit und Transparenz. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler eine zweischichtige Struktur aus einem Siliziumkarbidfilm hergestellt. Die eine, sehr dünn (3 nm), sorgt für eine gute Passivierung, die andere (25 nm) für ultrahohe Transparenz und hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Dazu wird beim Aufwachsen einer Filmschicht die Temperatur des Metallfadens (ein Aktivator des Gasgemisches, aus dem der Film abgeschieden wird) von 1775 auf 2000 Grad angehoben und als Ergebnis eine einzige zweischichtige Struktur mit alle notwendigen Eigenschaften werden erhalten.

Für das menschliche Auge erscheinen alle Beschichtungen von Siliziumwafern transparent. Aber in der Optik ist transparent anders als transparent. Je mehr Photonen des Sonnenlichts auf die Platte treffen, desto mehr Elektronen laufen an ihren Elektroden entlang und desto höher ist der Wirkungsgrad der Solarzelle. Die Transparenz sorgte also für eine maximale Energieaufnahme, und die Passivierung half dem Strom, nicht zu brechen und die Solarzelle verlustfrei durch die Elektroden zu verlassen.Der Marktanteil von Geräten auf Basis eines passivierenden Kontakts liegt heute bei wenigen Prozent, wird aber Experten zufolge bis zum Ende des Jahrzehnts auf 20 % und mehr steigen. In unserem Land beschäftigt sich die Firma Hevel mit der Herstellung von Solarbatterien, die 2009 in Novocheboksarsk ein Werk zur Herstellung von Photovoltaikmodulen auf Basis der Heterostrukturtechnologie in Betrieb genommen hat. Im Jahr 2020 stieg die Kapazität der Anlage von 260 MW auf 340 MW Solarmodule pro Jahr, was ungefähr der aktuellen Gesamtkapazität aller Solarmodule in der Region Orenburg entspricht. Die Solarmodule dieses Herstellers decken die weiten Gebiete der Republik Altai, Burjatien, Baschkirien, Kalmückien, Saratow und Astrachan sowie Adygea und Kasachstan ab. Ende 2021 wurde in der Region Omsk ein Solarkraftwerk mit einer Leistung von 30 MW eröffnet, und für 2022 ist der Bau von zwei weiteren Solarkraftwerken Chita und Chernovskaya mit jeweils 35 MW in Transbaikalia geplant.

Ein Kampf um jedes Elektron

Neue transparente Passivierungsfolien-Kontakte aus Karbid und Siliziumdioxid, die die Solarzellen von der Vorderseite bedecken, steigerten den Wirkungsgrad der Solarbatterie um bis zu 24%. Die Grafiken im Artikel zeigen, dass in bestimmten Bereichen der einer Solarzelle zugeführten Energie der Transparenzgrad einer Siliziumkarbidschicht zehnmal höher ist als die Parameter von amorphen Siliziumschichten, dh bei gleicher Schichtdicke wird dies der Fall sein lassen zehnmal mehr Sonnenlicht durch, das in elektrische Energie umgewandelt wird. Dadurch wird die Effizienz natürlich nicht verzehnfacht, da sich die Effizienz nicht nur aus Transparenz, sondern auch aus Passivierung und Leitfähigkeit zusammensetzt. Wenn Sie einen Parameter ändern, ist es leider unmöglich, alle anderen zu reparieren. Bei amorphen Siliziumfilmen ist die Passivierung höher und die Transparenz nicht sehr gut, daher wird diese Schicht an der Unterseite des Wafers platziert.

In den letzten sechs Monaten seit der Veröffentlichung des Artikels in NatureEnergy haben Wissenschaftler eine Reihe von Berechnungen mit verschiedenen Beschichtungen durchgeführt, um die Transparenz nicht zu verlieren und die Passivierung des Siliziumkarbidfilms zu erhöhen. Nachdem sie alle Ergebnisse ihrer Experimente analysiert hatten, erstellten sie eine ganze "Roadmap", nach der sie alle Chancen haben, in den nächsten anderthalb Jahren eine Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen um weitere 1% zu garantieren, d.h. um es auf 25% zu bringen.

Auf die vorhandenen Filme brachten die Wissenschaftler Magnesiumfluorid-Antireflex-Antireflexbeschichtungen auf, um sicherzustellen, dass noch weniger Photonen von der Oberfläche der Solarzelle reflektiert wurden.

Neben der Erhöhung der Schichtung entschieden sich die Autoren der Arbeit, die belegte Fläche der kleinsten Metallelektroden, deren dichtes Netzwerk die Solarzelle bedeckt, zu reduzieren und sie in schmale Segmente zu unterteilen. Von der Unterseite der Solarzelle sieht die Elektrode aus wie ein massiver Silberfilm aus Wärmeleitpaste, die im Siebdruckverfahren auf bis zu 200 Grad erhitzt wird. Mit dem gleichen Verfahren werden schmale Silberbahnen über die gesamte Dünnschichtstruktur aufgebracht. Die Autoren des Artikels waren der Meinung, dass die Spuren das Panel erheblich verdecken und zu viel „Platz unter der Sonne“ einnehmen. Durch eine Optimierung des Galvanisierungsprozesses werden sie die Breite der Silberleitkontakte halbieren (von 60 auf 30 Mikrometer) und damit die Effizienz noch ein wenig steigern.

Die Sonne auf dem Grund des Ozeans

Das Projekt im Wert von mehr als 22 Milliarden US-Dollar sieht die Verlegung eines 4,2.000 km langen Kabels auf dem Grund des Indischen Ozeans vor. Über dieses Kabel wird die an Solarstationen in Australien erzeugte Energie nach Singapur übertragen. Eine weitere bürokratische Hürde auf dem Weg zu diesem Kabel ist genommen: Indonesien hat eine Genehmigung zum Betrieb in seinen Hoheitsgewässern erteilt.

Die nördlichen Gebiete Australiens sind endlose Weiten und heiße Sonne; In Singapur ist wenig Platz, aber er möchte die Energieversorgung auf erneuerbare Quellen umstellen. Die beiden Länder könnten bald in einem der größten und ehrgeizigsten Projekte für erneuerbare Energien zusammenkommen, die jemals unternommen wurden.

Das Projekt mit dem Namen PowerLink wird von der australischen Firma Sun Cable betrieben, die in der Gegend von Powell Creek einen riesigen Strompark errichten wird. Die Sonnenkollektoren werden 12.000 Hektar trockenes Land einnehmen, etwa 800 km südlich der Stadt Darwin, einem der sonnigsten Orte der Erde.

Diese Solarstation wird in der Spitze 17-20 GW Energie erzeugen, die in Batterien mit einer Kapazität von 36-42 GW gespeichert werden können.

Die Station Powell Creek wird mit einer Kapazität von nur 2.245 GW fast zehnmal größer sein als der aktuelle Rekordhalter, der indische Bhadia Solar Park. Und die Kapazität zukünftiger Batterien übertrifft das bisherige Rekordprojekt um mehr als das 30-fache!

Australien ist eindeutig motiviert durch den großen Erfolg von Teslas riesiger 150-MW-Batterie, die 2017 in Südaustralien gebaut wurde. Der Nachbarstaat Victoria hat angekündigt, bis Ende 2021 eine 300-MW-Anlage in Betrieb zu nehmen. Im Anschluss daran kündigte der Bundesstaat New South Wales den Bau der größten Batterie an - 1,2 GW. Aber alle diese Batterien sehen im Vergleich zu PowerLink wie Zwerge aus.Das solarbetriebene Hochspannungskabel wird 15 % des Strombedarfs Singapurs decken. Darüber hinaus wird die Solarstation auch die Stadt Darwin mit Licht versorgen, durch die die Stromübertragung erfolgen wird.

Das Kabel soll 2028 in Betrieb genommen werden. In der Zwischenzeit dankte David Griffin, CEO von Sun Cable, der indonesischen Führung: „Die Genehmigung des Projekts bringt uns dem Beginn einer neuen Ära näher, in der die Erzeugung und Übertragung von erschwinglicher, überschaubarer erneuerbarer Energie in gigantischen Mengen beginnen wird ."

Das ist nicht die erste, aber wohl die fortschrittlichste Idee einer grenzüberschreitenden Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen. Insbesondere Projekte zur Solarenergieerzeugung sind in Nordafrika mit der Übertragung nach Südeuropa sowie in der Mongolei mit der Übertragung nach Japan und Südkorea bekannt.

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