Wie beeinflusst eine hohe Temperatur die Leistung einer Solarzelle und was kann getan werden, um sie zu verbessern?

Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Leistung von Solarzellen

Verringerte Wirkungsgrad

Für die meisten Solarzellen (wie kristalline Silizium-Solarzellen) nimmt ihre Wirkungsgrad mit steigender Temperatur ab. Dies liegt daran, dass sich bei hohen Temperaturen die inneren Eigenschaften von Halbleitermaterialien wie Silizium ändern. Mit zunehmender Temperatur verringert sich die Bandlücke des Halbleiters, was zu einer erhöhten Erzeugung von Ladungsträgern (Elektron-Loch-Paaren) durch intrinsische Anregung führt. Allerdings erhöhen sich auch die Wahrscheinlichkeiten für zusätzliche Ladungsträgerrekombinationen, was zu einem relativen Rückgang der Anzahl der effektiven Ladungsträger führt, die zur Elektrode gesammelt werden können. Dies führt letztendlich zu einer Verringerung des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung und des Füllfaktors der Zelle und somit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades. Kristalline Silizium-Solarzellen haben beispielsweise einen Temperaturkoeffizienten von etwa -0,4 %/°C bis -0,5 %/°C, was bedeutet, dass ihr Wirkungsgrad bei jedem 1°C Temperaturanstieg um 0,4 % bis 0,5 % sinkt.

Verkürzte Lebensdauer

Hohe Temperaturen beschleunigen auch den Alterungsprozess der Materialien im Solarmodul. Bei den Verpackungsmaterialien der Batterie kann hohe Temperatur zum Altern, Vergilben und Abblättern von Verpackungsfolien (wie EVA-Folie) führen. Für die Batterie selbst kann hohe Temperatur zu einem Anstieg der Gitterdefekte im Siliziumwafer führen, was die langfristige Stabilität und Lebensdauer der Batterie beeinflusst.

Methoden zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen bei hohen Temperaturen

Wärmeabfuhrdesign

Passive Wärmeabfuhr

Das strukturelle Design des Solarzellensystems ist förderlich für die Wärmeabfuhr. Beispielsweise kann der Kontaktbereich zwischen der Rückseite des Moduls und der Luft vergrößert werden. Die Verwendung eines Materials mit guter Wärmeleitfähigkeit als Rückwand des Moduls, wie ein Metallrücken oder ein Verbundrücken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, erleichtert es, die von der Batterie erzeugte Wärme in die Umgebung abzuführen. Darüber hinaus wird die Verpackungsstruktur des Batteriemoduls sorgfältig gestaltet, und Verpackungsmaterialien mit guter Atmungsaktivität werden verwendet, um die Wärmeabfuhr zu fördern.

Aktive Wärmeabfuhr

Zur Wärmeabfuhr können gezwungene Lüftungseinrichtungen wie Ventilatoren eingesetzt werden. Kleine Ventilatoren werden im Solarmodul installiert, um durch gezwungene Konvektion der Luft die Wärme von der Oberfläche der Batterie abzuführen. Für große Solarkraftwerke können auch Flüssigkeitskühlungssysteme eingesetzt werden, z.B. die Verwendung von Wasser oder speziellen Kühlflüssigkeiten, die in Rohren zirkulieren, um die von den Batteriemodulen erzeugte Wärme abzuführen. Diese Methode hat eine hohe Wärmeabführungsrate, ist jedoch relativ teuer und eignet sich für groß angelegte Kraftwerke oder spezielle Anwendungsszenarien, die eine hohe Stromerzeugungseffizienz erfordern.

Materialverbesserung

Neues Halbleitermaterial

Die Entwicklung neuer Halbleitermaterialien mit besseren Temperaturcharakteristiken zur Herstellung von Solarzellen. Zum Beispiel haben Perowskit-Solarzellen eine vergleichsweise gute Leistungsstabilität bei hohen Temperaturen, und ihr Temperaturkoeffizient ist geringer als der von kristallinen Siliziumzellen. Obwohl Perowskit-Zellen noch einige technische Herausforderungen zu meistern haben, bieten sie großes Potenzial zur Verbesserung der Hochtemperaturleistung.

Hitzefestes Verpackungsmaterial

Entwicklung und Verwendung hitzebeständiger Verpackungsmaterialien. Beispielsweise kann anstelle von traditioneller EVA-Folie neues Polyolefin-Verpackungsmaterial eingesetzt werden, das bei hohen Temperaturen eine bessere Stabilität aufweist und den Einfluss alternder Verpackungsmaterialien auf die Batterieleistung reduzieren kann.

Optisches Management und Temperaturkompensationstechnologie

Optisches Management

Durch optisches Design wird die von der Batterie absorbierte überschüssige Wärme reduziert. Beispielsweise können selektive Absorptionsbeschichtungen oder optische Reflektoren eingesetzt werden, sodass die Solarzellen nur Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich absorbieren, das zur Stromerzeugung genutzt werden kann, während Licht in anderen Wellenlängenbereichen, in denen leicht Wärme erzeugt wird, reflektiert wird, wodurch die Zelltemperatur reduziert wird.

Temperaturkompensationstechnik

In der Schaltungsentwicklung von Solarzellen wird Technologie zur Temperaturkompensation eingesetzt. Beispielsweise kann durch Hinzufügen eines Temperatursensors und einer Kompensationsschaltung in die Schaltung der Arbeitszustand der Batterie in Echtzeit anhand der Batterietemperatur angepasst werden, indem beispielsweise der Lastwiderstand geändert oder eine inverse Spannung angewendet wird, um den negativen Einfluss hoher Temperaturen auf die Batterieleistung zu reduzieren.