Die Solarenergie gilt weltweit als eine der vielversprechendsten Energiequellen der Zukunft, da sie in der Lage ist, auf saubere und erneuerbare Weise Strom zu erzeugen.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Sonnenenergie: die Kraft der Sonne nutzen
Der Wirkungsgrad von Solarmodulen ist entscheidend für den Erfolg der Branche. In den letzten Jahren hat sich der Wirkungsgrad von Solarmodulen deutlich erhöht, wobei einige Modelle mehr als 25 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln können.
Zu den technologischen Fortschritten, die die höhere Effizienz von Sonnenkollektoren ermöglicht haben, gehören die Materialauswahl, die Optimierung der Zellstruktur und die verbesserte Effizienz der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die Massenproduktion von effizienteren Solarmodulen zu erschwinglicheren Preisen ist dank neuer Produktionstechnologien ebenfalls möglich geworden.
Energiespeichersysteme sind ein weiterer bedeutender technologischer Fortschritt in der Solarenergiebranche. Da Solarenergie eine intermittierende Energiequelle ist, können Energiespeichersysteme die tagsüber erzeugte Energie speichern und bei Bedarf nutzen, auch wenn das Sonnenlicht nicht verfügbar ist. Energiespeichersysteme sind zunehmend erschwinglich und effizient und umfassen Batterien und thermische Energiespeicher.
Zum Vergleich: Im Jahr 2010 war der Weltmarkt mit einer installierten Leistung von nur 39 Gigawatt (GW) klein. Heute beläuft sich die weltweite Kapazität zur Erzeugung von Solarstrom auf 512,3 GW und wird bis 2025 voraussichtlich 2,3 TW erreichen, so die Projektion Global Market Outlook for Solar Power 2022-2026.
Dies ist eine technologische Errungenschaft mit dem Ziel einer besseren Zukunft für den Planeten und künftige Generationen, durch effizienteren Lösungen für eine bessere Lebensqualität. Weitere technologische Trends finden Sie im Bürklin Elektronik Industrie Magazin, welches Sie darüber informiert, wie sich der technologische Fortschritt in verschiedenen Bereichen positiv auswirkt.
Neue Technologie macht Solarenergie nachhaltiger
Eine Gruppe von Forschern der Universitäten Newcastle in England, Uppsala in Schweden und Neapel Federico II in Italien hat eine Technologie entwickelt, die kostengünstige Materialien, die in der Erdkruste reichlich vorhanden sind, zur Herstellung von Solarzellen verwendet, die effizienter sind als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis.
Sie haben dynamische dimere Kupferkomplexe mit tetradentaten Liganden geschaffen, d.h. Substanzen, die vier Donoratome gleichzeitig binden. Diese neuen Kupfersysteme bieten eine Kombination aus schnellem elektrischem Ladungstransport in einem noch nie dagewesenen Zwei-Elektronen-Redox-Mechanismus.
Der Wirkungsgrad von Solarmodulen ist entscheidend für den Erfolg der Branche. ( Foto: Adobe Stock- 1st footage )
Höhere Effizienz
Das dynamische Dimersystem stellt eine neue Generation von effizienten Redox-Mediatoren für molekulare Geräte dar, die dazu beitragen können, photovoltaische Geräte mit minimalen Spannungsverlusten bei vergleichsweise niedrigen Reorganisationsenergien und Rekombinationsraten zu betreiben.
Herkömmliche Redox-Mediatoren, die auf Metallkoordinationskomplexen basieren, führen einen Elektronentransfer durch, indem sie die Oxidationsstufe im Zentrum des Metalls ändern. Das Problem ist, dass die Kinetik dieses Elektronentransfers in die Oxidationsstufen verschoben wird, was zu erheblichen Energieverlusten führt.
Bei diesem neuen Ansatz sorgen dynamische Dimer-Redox-Mediatoren für einen Zwei-Elektronen-Verbundmechanismus, der die Herstellung von effizienteren und langlebigeren Photovoltaik-Paneelen ermöglicht. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass die Stromverluste minimal sind und bei jedem Ladevorgang kaum mehr als 0,27 Volt betragen.
Der größte Teil des Fortschritts, der die Verwendung von reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien ermöglicht hat, ist auf die Verbesserung der lichtabsorbierenden Verbindungen zurückzuführen. Probleme mit dem Ladungstransfer sind immer noch ein Hindernis für die breite Anwendung dieser Solartechnologie, aber Forscher haben einen wichtigen Schritt getan, um dieses Problem zu umgehen.
Saubere und bezahlbare Energie
Kupfer in seiner metallischen Form hat eine hohe Haltbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Duktilität.
All diese Faktoren machen es zu einem ausgezeichneten Material für elektrisch leitende Legierungen, insbesondere in großen Systemen.
Mit dieser neuen Hybrid-Photovoltaikzellentechnologie wollen die Forscher nachhaltigere und erschwinglichere Solarpaneele bauen, die in Regionen mit Energiemangel eingesetzt werden könnten, in denen die Nutzung von Solarenergie noch zu teuer und kommerziell unrentabel ist.
Diese Arbeit beweist, dass Grundlagenforschung, die Experimente und Theorie kombiniert, eine solide wissenschaftliche Grundlage für die Optimierung der Nutzung von Materialien und Schnittstellen für erneuerbare Energien mit echten Auswirkungen auf die Gesellschaft schaffen kann, indem sie Strom zu einem billigen und leicht zugänglichen Element macht.
Im Jahr 2000 tritt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft, das den Ausstieg aus der Kernenergie bedeutet und die Förderung nachhaltiger Energien vorantreibt. ( Foto: Adobe Stock- alphaspirit )
Selbstheilende Solarzellen
Einer der großen Vorteile von Photovoltaik-Solarmodulen ist ihre lange Lebensdauer von mindestens 25 Jahren, die bei richtiger Pflege jedoch leicht drei Jahrzehnte überschreiten kann. Eine Entdeckung von Forschern der University of York in Großbritannien könnte nun die Lebensdauer dieser Technologie auf unbestimmte Zeit verlängern.
Bei ihren Untersuchungen von Antimonselenid, einem Halbleiter, der bereits häufig für die Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet wird, entdeckten die Wissenschaftler, dass das Material in der Lage ist, sich selbst zu reparieren, wenn es abgebaut wird.
Halbleiter sind der Grundstein der Photovoltaiktechnologie, die für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität verantwortlich ist und bei der Herstellung der Zellen, aus denen eine Solarplatte besteht, verwendet wird.
Es hat sich herausgestellt, dass diese Halbleiter im Laufe der Jahre durch den Prozess der Rekombination der Elektronen in ihren Atomen eine natürliche Degradation erfahren. Die neue Entdeckung der Yorker Forscher stellt nun in Aussicht, dass wir in Zukunft über leistungsstarke selbstheilende Solarzellen verfügen könnten, die die Effizienz und Rentabilität von Photovoltaikanlagen weiter steigern könnten.
Die Selbstheilungsfähigkeit von Antimonselenid ähnelt der eines Seesterns oder eines Reptils, wenn es nach einem Unfall ein Glied wiedererlangt. Der Prozess, durch den sich dieses Halbleitermaterial selbst heilt, ähnelt der Art und Weise, wie ein Salamander Gliedmaßen regenerieren kann, wenn ihm eine abgeschnitten wurde.
Antimonselenid repariert die zerbrochenen Bindungen, die entstanden sind, und bildet neue Bindungen. Diese Fähigkeit ist in der Welt der Materialien ebenso ungewöhnlich wie im Tierreich und hat wichtige Auswirkungen auf die Anwendungen dieser Materialien in der Optoelektronik und Photochemie.
Photovoltaik in Deutschland
Seit den 1970er-Jahren, mit der Krise des Öls, einer nicht erneuerbaren und erschöpflichen Energiequelle, hat die Forschung im Bereich der erneuerbaren Energien, wie Wind- und Solarenergie, zugenommen.
Außerdem veranlassten nukleare Unfälle, wie der in Tschernobyl, Deutschland dazu, über andere Stromquellen nachzudenken.
In den späten 1980er-Jahren wurde die Photovoltaik von Ländern wie Deutschland, den USA und Japan intensiv erforscht, aber diese Form der Stromerzeugung war noch kostbar.
Um den Wandel im Energiesystem voranzutreiben, begannen diese Länder jedoch, in staatliche Subventionen zu investieren, was die Möglichkeiten für Investitionen in erneuerbare Energien erhöhte und damit das Wachstum des Sektors beschleunigte.
Ende der 1990er-Jahre startete die deutsche Regierung das Photovoltaik-Programm 1000 Dächer, um die Solarenergie zu fördern. In einem Zeitraum von vier Jahren, zwischen 1991 und 1995, wurden etwa 2000 Photovoltaikanlagen auf Hausdächern installiert.
Bei einer durchschnittlichen Größe von nur 2,6 kWp und Kosten von über 12.000 Euro wurden die Anlagen zu 70 % von der Bundesregierung subventioniert und der andere Teil von den für die Anlagen verantwortlichen Unternehmen übernommen.
Im Jahr 2000 tritt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft, das den Ausstieg aus der Kernenergie bedeutet und die Förderung nachhaltiger Energien vorantreibt. Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist ein zentraler Pfeiler der Energiewende in Deutschland.
Im Rahmen des neuen Gesetzes wurden Anreizprogramme für Unternehmen geschaffen, wie z.B. die Festlegung eines festen Wertes von ca. 51 Cent, für 20 Jahre, für jede Kilowattstunde Solarstrom, die für das öffentliche Netz produziert wird. Eine weitere Alternative bestand darin, einen Kredit über das 100.000-Dächer-Programm zu erhalten, das Teil des Kredits für den Wiederaufbau war.
Seit seinem Inkrafttreten wurde das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) kontinuierlich weiterentwickelt und in den Jahren 2004, 2008, 2012, 2014, 2017 und zuletzt 2021 novelliert.
In der letzten Reform wurde der Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien (EE) im Stromsektor festgelegt: Bis 2030 sollen 71 GW Windkraft an Land, 100 GW Photovoltaik und 8,4 GW Biomasseanlagen installiert werden. Das bedeutet, dass 65 % des Stromverbrauchs bis 2030 aus erneuerbaren Energien stammen sollen.
Heute gibt es in Deutschland Bundes- und Landeszuschüsse für die Installation von Photovoltaikanlagen auf Privathäusern und für Unternehmen. Diese Anreize reichen von Einspeisetarifen, bei denen der Preis pro kWh über einen Zeitraum von 20 Jahren gleich bleibt, über zinsgünstige Darlehen bis hin zu Subventionen für Energieversorgungsunternehmen.
Mit der schrittweisen Abschaltung von Kernkraftwerken und der Verringerung des Verbrauchs fossiler Energie sind erneuerbare Quellen zu einer der wichtigsten Energiequellen des Landes geworden. Nach Angaben von Fraunhofer, Europas größtem Forschungsinstitut für Solarenergie, gibt es in Deutschland fast 2 Millionen Solaranlagen, die etwa 10 % des im Land erzeugten Stroms liefern.
Nach Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz hat die zunehmende Nutzung dieser erneuerbaren Energie allein im Jahr 2019 die Umwelt um fast 30 Millionen Tonnen Kohlendioxid entlastet.
