Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 28.05.2026 Herkunft: Website
Dünnschichtsolarzellen sind eine Art von Solarzelle, die durch Abscheiden dünner Schichten photovoltaischen Materials auf einem Glas-, Kunststoff- oder Metallsubstrat hergestellt wird. Dünnschichtsolarzellen sind typischerweise viel dünner als die Wafer, die in herkömmlichen Solarzellen auf kristalliner Siliziumbasis verwendet werden. Dünnschichtsolarzellen werden kommerziell aus einem von mehreren Materialien hergestellt, darunter Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und amorphes Dünnschichtsilizium (a-Si, TF-Si).
Solarzellen werden oft anhand der Art der lichtabsorbierenden Schichten, aus denen sie hergestellt werden, in Generationen eingeteilt. Die am weitesten verbreiteten Solarzellen bzw. Solarzellen der ersten Generation bestehen aus ein- oder multikristallinem Silizium. Dies ist die vorherrschende Technologie, die derzeit in den meisten Solar-PV-Systemen verwendet wird. Die meisten Arten von Dünnschichtsolarzellen werden der zugeordnet zweiten Generation und bestehen aus dünnen Materialschichten wie amorphem Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder Galliumarsenid (GaAs). Solarzellen, die aus neueren, weniger etablierten Materialien hergestellt werden, werden als Solarzellen der dritten Generation oder neu entstehende Solarzellen klassifiziert. Dazu gehören einige innovative Dünnschichttechnologien wie Perowskit, farbstoffsensibilisiert, Quantenpunkt, organische und CZTS Dünnschichtsolarzellen.
Dünnschichtzellen haben gegenüber Siliziumsolarzellen der ersten Generation mehrere Vorteile, unter anderem sind sie aufgrund ihrer dünnen Bauweise leichter und flexibler. Dadurch sind sie für den gebäudeintegrierten Einsatz geeignet Photovoltaik und als halbtransparentes Photovoltaik-Verglasungsmaterial, das auf Fenster laminiert werden kann. Andere kommerzielle Anwendungen nutzen in einigen der größten der Welt starre Dünnschicht-Solarmodule (zwischen zwei Glasscheiben eingelegt). Photovoltaik-Kraftwerke . Darüber hinaus sind die verwendeten Materialien in Dünnschichtsolarzellen werden in der Regel mit einfachen und skalierbaren Methoden hergestellt, die kostengünstiger sind als Zellen der ersten Generation, was in vielen Fällen zu geringeren Umweltauswirkungen wie Treibhausgasemissionen (THG) führt. Dünnschichtzellen übertreffen in der Regel auch erneuerbare und nicht erneuerbare Quellen zur Stromerzeugung hinsichtlich der Toxizität für den Menschen und der Schwermetallemissionen.
Trotz anfänglicher Herausforderungen bei der effizienten Lichtumwandlung, insbesondere bei PV-Materialien der dritten Generation, werden ab 2023 einige bestehen Dünnschichtsolarzellen haben Wirkungsgrade von bis zu 29,1 % erreicht Single-Junction-Dünnschicht-GaAs-Zellen , die den maximalen Wirkungsgrad von 26,1 % für Standard-Single-Junction-Solarzellen der ersten Generation übertreffen. Mehrfachkonzentratorzellen mit Dünnschichttechnologie haben ab 2023 Wirkungsgrade von bis zu 47,6 % erreicht.
In beschleunigten Lebensdauertests wurde festgestellt, dass viele Dünnschichttechnologien eine kürzere Betriebslebensdauer und größere Degradationsraten aufweisen als Zellen der ersten Generation, was zu ihrem etwas begrenzten Einsatz beigetragen hat. Weltweit liegt der PV-Marktanteil der Dünnschichttechnologien im Jahr 2023 weiterhin bei etwa 5 %. In den Vereinigten Staaten ist die Dünnschichttechnologie jedoch erheblich beliebter geworden, wo allein CdTe-Zellen 29 % der neuen großtechnischen Einführung im Jahr 2021 ausmachten.
Die ersten Forschungen zu Dünnschichtsolarzellen begannen in den 1970er Jahren. 1970 entwickelte das Team von Zhores Alferov am Ioffe-Institut die ersten Galliumarsenid (GaAs)-Solarzellen und gewann für diese und andere Arbeiten später den Nobelpreis für Physik im Jahr 2000. Zwei Jahre später, 1972, gründete Prof. Karl Böer das Institute of Energy Conversion (IEC) an der University of Delaware, um die Dünnschicht-Solarforschung voranzutreiben. Das Institut konzentrierte sich zunächst auf Zellen aus Kupfersulfid/Cadmiumsulfid (Cu 2S/CdS) und erweiterte 1975 später auch die Dünnschichtzellen aus Zinkphosphid (Zn 3P 2) und amorphem Silizium (a-Si). 1973 stellte das IEC ein solarbetriebenes Haus, Solar One, als erstes Beispiel für in Wohngebäude integrierte Photovoltaik vor Luft- und Raumfahrtanwendungen nahmen deutlich zu, und mehrere Unternehmen begannen mit der Entwicklung von Dünnschicht-Solargeräten aus amorphem Silizium. Der Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solaranlagen stieg 1980 für Cu 2S/CdS auf 10 %, und 1986 brachte ARCO Solar die erste kommerziell erhältliche Dünnschicht-Solarzelle auf den Markt, die G-4000, die aus amorphem Silizium hergestellt wurde.
In den 1990er und 2000er Jahren kam es bei Dünnschichtsolarzellen zu deutlichen Steigerungen der maximalen Effizienz und der Ausweitung bestehender Dünnschichttechnologien auf neue Sektoren. 1992 wurde an der University of South Florida eine Dünnschichtsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von mehr als 15 % entwickelt. Nur sieben Jahre später, 1999, arbeiteten das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory und Spectrolab gemeinsam an einer Galliumarsenid-Solarzelle mit drei Übergängen, die es erreichte 32 % Wirkungsgrad . Im selben Jahr entwarf Kiss + Cathcart transparente Dünnschichtsolarzellen für einige Fenster am 4 Times Square, die genug Strom für die Stromversorgung von 5–7 Häusern erzeugten. Im Jahr 2000 stellte BP Solar zwei neue kommerzielle Solarzellen auf Basis der Dünnschichttechnologie vor. Im Jahr 2001 wurden an der Johannes Kepler Universität Linz die ersten organischen Dünnschichtsolarzellen entwickelt. Im Jahr 2005 GaAs-Solarzellen wurden mit den ersten freistehenden Zellen (ohne Substrat), die von Forschern der Radboud-Universität eingeführt wurden, noch dünner.
Dies war auch eine Zeit bedeutender Fortschritte bei der Erforschung neuer Solarmaterialien der dritten Generation – Materialien mit dem Potenzial, theoretische Effizienzgrenzen für herkömmliche Festkörpermaterialien zu überwinden. Im Jahr 1991 wurde die erste hocheffiziente farbstoffsensibilisierte Solarzelle entwickelt, bei der die gewöhnliche feste halbleitende (aktive) Schicht der Zelle durch eine flüssige Elektrolytmischung mit lichtabsorbierendem Farbstoff ersetzt wurde. In den frühen 2000er Jahren begann die Entwicklung von Quantenpunkt-Solarzellen, deren Technologie später im Jahr 2011 vom National Renewable Energy Laboratory zertifiziert wurde. Im Jahr 2009 berichteten Forscher der Universität Tokio über einen neuartigen Solarzellentyp, der Perowskite als aktive Schicht verwendet und einen Wirkungsgrad von über 3 % erreicht. Dabei baut er auf Murase Chikaos Arbeit aus dem Jahr 1999 auf, bei der eine Perowskitschicht geschaffen wurde, die Licht absorbieren kann.
In den 2010er und frühen 2020er Jahren umfassten Innovationen in der Dünnschicht-Solartechnologie Bemühungen, die Solartechnologie der dritten Generation auf neue Anwendungen auszudehnen und die Produktionskosten zu senken, sowie erhebliche Effizienzverbesserungen für Materialien der zweiten und dritten Generation. Im Jahr 2015 brachte Kyung-In Synthetic die ersten Inkjet-Solarzellen auf den Markt, flexible Solarzellen, die mit Industriedruckern hergestellt wurden. Im Jahr 2016 schuf das Organic and Nanostructured Electronics (ONE) Lab von Vladimir Bulović am Massachusetts Institute of Technology (MIT) Dünnschichtzellen, die leicht genug waren, um auf Seifenblasen zu sitzen. Im Jahr 2022 stellte dieselbe Gruppe flexible organische Dünnschichtsolarzellen vor, die in Stoff integriert sind.
Die Dünnschicht-Solartechnologie erreichte weltweit einen Spitzenmarktanteil von Im Jahr 1988 machte sie 32 % des neuen Photovoltaik- Einsatzes aus, bevor sie mehrere Jahrzehnte lang zurückging und im Jahr 2009 erneut einen kleineren Höchststand von 17 % erreichte. Der Marktanteil sank dann kontinuierlich auf 5 % im Jahr 2021 weltweit, allerdings eroberte die Dünnschichttechnologie im selben Jahr etwa 19 % des gesamten US-Marktanteils, einschließlich 30 % der Produktion im Versorgungsmaßstab.
