Energy Harvesting »Erntehelfer« im Vergleich

Einsatz von Solarzellen

Die Verwendung von Solarzellen liegt immer dann nahe, wenn die Applikation nicht (ausschließlich) im Dunklen arbeiten soll. In Abhängigkeit von der genauen Applikation reichen möglicherweise eine verhältnismäßig geringe Beleuchtungsdauer und -stärke aus, damit ein Akku oder ein Superkondensator (Gold-Cap) in der Schaltung aufgeladen werden kann, um somit auch in der Dunkelheit funktionsfähig zu sein.

Die Beleuchtung in Innenräumen erfolgt oftmals mit Leuchtstofflampen oder vergleichbaren Leuchtmitteln, deren Lichtspektren stark vom natürlichen Sonnenspektrum abweichen. Es hat sich gezeigt, dass herkömmliche kristalline Solarzellen für den Einsatz im Innenraum eher ungeeignet sind, da sie einen charakteristischen Spannungsabfall unter Schwachlicht aufweisen. Bessere Ergebnisse erzielen amorphe Solarzellen, deren maximale interne Quantenausbeute, die das Verhältnis zwischen einfallenden Photonen und freigesetzten Elektronen angibt, bei einer Wellenlänge von 520 nm liegt. Dies deckt sich mit dem Maximum der Leistungsdichte weißer Leuchtstofflampen. Für Innenraum-anwendungen, wo die Lichtintensität bei wenigen Watt pro Quadratmeter (W/m²) liegt, sind keine »Standard Test Conditions« definiert. Dadruch erschwert sich ein Vergleich der verschiedenen Typen deutlich, denn die Referenzbedingungen in den Datenblättern unterscheiden sich erheblich.

In der Praxis ist oftmals festzustellen, dass eine bestimmten Solarzelle die angegebene maximale Leistung eigentlich nie ereicht, wofür prinzipiell aber nicht die Solarzelle, sondern die jeweilige Lichtumgebung verantwortlich ist. Selbst innerhalb eines scheinbar recht gleichmäßig ausgeleuchteten Raumes können sich die Verhältnisse leicht um den Faktor 1000 unterscheiden, was sich mit einem Luxmeter, mit dem die Bestrahlungsstärke (Intensität) messbar ist, einfach feststellen lässt. In der Tabelle und im Kasten sind die vier wichtigsten käuflichen Solarzellentypen gegenübergestellt.

TypSpektrumWirkungsgradBeispiel
amorph300 nm bis 600 nm5 % bis 13 %Sanyo Solar AM-1815,
58 mm x 48 mm x 06 mm, MPP = 3 mW
poly-kristallin500 nm bis 1100 nm13 % bis 18 %Conrad YH-75X90,
75 mm x 90 mm x 2 mm, 18 V/40 mA
mono-kristallin300 nm bis 1000 nm14 % bis 18 %Ixys XOB17-04x3,
22 mm x 7 mm x 1,6 mm, 18 mW (max.)
mikro-kristallin300 nm bis 1100 nm14 % bis 24 %Schar, Schüko Panels/Module, 1300 mm x 1100 mm x 7 mm, ab ca. 80 W

 

Eigenschaften verschiedener Solarzelltypen
Merkmale verschiedener Solarzelltypen

Dünnschicht-Solarzellen erscheinen meist dunkelrot und kommen seit vielen Jahren etwa bei Uhren oder Taschenrechnern zum Einsatz. Eine solche Zelle besteht aus einer dünnen, nicht kristallinen Schicht Silizium, die per Aufdampfen aufgebracht wird, was die Herstellung recht preiswert macht. Die Zelle kann auch bei wenig Licht und Streulicht noch ausreichend Strom liefern, um damit Kleinverbraucher zu versorgen.

Polykristalline Solarzellen sind die Standardtypen für die Außenanwendung auf Häuserdächern (Photovoltaikanlagen), die dort oftmals an ihrer blaugrünen Farbe zu erkennen sind. Eine Zelle besteht aus Scheiben unterschiedlicher Kristallorientierung, die beispielsweise per Gießverfahren hergestellt werden, sodass sie sich preiswert herstellen lassen. Polykristalline Solarzellen sind auch für Kleinverbraucher erhältlich und verfügen über eine dunkle Schutzschicht.

Monokristalline Solarzellen werden aus Silizium-Wafern hergestellt und sind deswegen relativ teuer. Erstmalig wurden diese Typen in der Raumfahrt eingesetzt. Aufgrund des großen Spektrums, das den Bereich, einer amorphen und einer polykristallinen Zelle quasi kombiniert, sind die Einsatzbereiche recht vielfältig. Diese Zellen kommen vorwiegend für Kleinverbraucher wie elektronischen Schaltungen zum Einsatz.

Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur sind ebenfalls relativ teuer herzustellen. Dafür weisen mikrokristalline Zellen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe auf und sind nicht so dick wie polykristalline Zellen. Das Spektrum deckt den Bereich einer monokris­tallinen Zelle ab, liefert demnach auch bei wenig Licht noch eine verhältnismäßig hohe Leistung bei einem demgegenüber geringeren Wirkungsgrad. Die mikrokristallinen Zellen sind noch verhältnismäßig teuer, werden jedoch bereits bei Photovoltaikanlagen eingesetzt. Als einzelne Zellen für Kleinverbraucher werden sie nicht angeboten, sondern in Solarpanels eingesetzt.

 

Daneben existieren weitere Varianten, die letztlich Variationen bzw. Kombinationen dieser vier Typen sind, wie etwa mikroamorphe Solarzellen oder auch die Tandem-Solarzellen, bei denen verschiedene Solarzellentypen wie amorphe und polykristalline übereinandergeschichtet werden, sodass sie auf die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes abgestimmt sind. Für den Einsatz als Spannungsquelle in elektronischen Schaltungen, die auch noch in Innenräumen bei Kunstlicht funktionieren sollen, sind die kostengünstigen amorphen Typen und – wenn es etwas teurer sein darf – die effektiveren monokristallinen Solarzellen die erste Wahl.