Photovoltaik- & Solarzellen

Bei der Solar- bzw. Photovoltaik-Technologie wird Licht auf atomarer Ebene in Elektrizität umgewandelt. Aufgrund des photoelektrischen Effekts absorbieren bestimmte Halbleitermaterialien Sonnenlichtpartikel oder Photonen und setzen Elektronen frei. Eine Photovoltaikzelle erzeugt Elektrizität aus sichtbarem Licht; eine Solarzelle absorbiert das volle Spektrum an Lichtfrequenzen (nicht nur sichtbares Licht) aus Sonnenlicht und wandelt Sonnenstrahlung in nutzbare Energie um. Als eine sichere, nachhaltige und effiziente Energiequelle werden Photovoltaik- und Solarzellensysteme zur Netz- oder Einzelstromerzeugung in vielen Anwendungen von elektrischen Fahrzeugen und Solardächern bis hin zu Wasserpumpen und Entsalzungsanlagen eingesetzt.  

Photovoltaikzellen nutzen Schichten von Halbleitermaterialien als PN-Übergänge, um Lichtenergie in Form von Photonen zu elektrischem Strom in Form von Elektronen umzuwandeln. Der PN-Übergang ist eine Schnittstelle zwischen einem P-Halbleiter (Elektronenakzeptor) und einem N-Halbleiter (Elektronendonor). Bei der Absorption eines Photons von einem N-Halbleiter wird ein Elektron freigesetzt, sodass ein freies Elektron und ein Elektron-Loch-Paar entsteht. Das negativ geladene Elektron wird durch das P-Material angezogen, während das positiv geladene Loch vom N-Material angezogen wird. Wenn ein geschlossener Kreis an die Elektroden angeschlossen wird, wandert das freie Elektron durch den Kreis und erzeugt elektrischen Strom und Spannung, bis es mit einem Elektron-Loch im P-Material wieder kombiniert wird.

Die Effizienz von Photovoltaik-Systemen variiert je nach Art der Photovoltaikzellen-Technologie und der Art des verwendeten Halbleitermaterials. Die ersten Solarzellen bestanden aus anorganischen polykristallinen und einzelkristallinen Materialien. Aufgrund beachtlicher Weiterentwicklungen in der organischen Elektronik und in organischen Materialien wurden in der Photovoltaik-Technologie erhebliche Fortschritte erzielt.

Eine organische Solarzelle ist leicht, flexibel und kann mit leistungsstarken Polymer-Donoren, Fulleren- und Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) in Niedertemperaturprozessen auf transparenten Leitern wie Indium-Zinnoxid (ITO) oder fluordotiertem Zinnoxid (FTO) kostengünstig hergestellt werden. Organische Lochtransportmaterialien (HTM) haben die Entwicklung leistungsstarker Perowskit-Solarzellen als alternative, effizientere Methode zur Nutzung von Sonnenenergie ermöglicht.

Bei Perowskit-Solarzellen kommt typischerweise ein anorganisches-organisches Hybridmaterial als aktive lichtsammelnde Schicht zum Einsatz. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer geringen Kosten und einfachen Herstellung schreitet die Verwendung von Perowskit-Solarzellen in kommerziellen Anwendungen besonders rasant voran. Blei-Halogenid-Perowskit-Solarzellen zeichnen sich durch den höchsten Wirkungsgrad aus und sind die am schnellsten wachsende Solarzellen-Technologie.