Photovoltaik (PV)-Systeme sind für den weltweit stattfindenden Übergang zu erneuerbaren Energiequellen unerlässlich. In diesen Systemen werden Photovoltaikzellen, die die wesentlichen Bauelemente von Solarzellen sind, verwendet, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Doch wie jede andere Technologie unterliegen auch die Solarzellen mit der Zeit einer Verschlechterung, die sich auf ihre Effizienz und Leistungsfähigkeit auswirkt. Dieser Prozess, der häufig als Alterung und Abschwächung bezeichnet wird, hat wichtige Auswirkungen auf die Gesamteffektivität, Zuverlässigkeit und wirtschaftliche Machbarkeit von Photovoltaik (PV)-Systemen. Im Rahmen dieses Artikels werden die Auswirkungen von Alterung und Dämpfung auf Photovoltaik-Zellmodule aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht, darunter die technische Leistung, wirtschaftliche Überlegungen, Wartungsmaßnahmen und Umweltbelange.

Mechanismen der Leistungsverschlechterung im technischen Bereich

Die Verschlechterung der Leistung von Solarzellenmodulen kann auf eine Vielzahl von Mechanismen zurückgeführt werden, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen: chemische Prozesse und physikalische Prozesse.

Die wiederholte Erwärmung und Abkühlung von Photovoltaikmodulen führt zu einer thermischen Ausdehnung und Kontraktion, die letztlich zu Materialermüdung und Mikrorissen in den Zellen und Verbindungen führt. Dieses Phänomen wird als Temperaturwechsel bezeichnet.

Exposition gegenüber UV-Strahlung: Verkapselungsmaterialien wie Ethylen-Vinylacetat (EVA) können bei längerer Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung (UV) abgebaut werden, was zu Verfärbungen und einer Verringerung der Lichtmenge führen kann, die sie durchdringen können.

Eindringen von Feuchtigkeit: Das Eindringen von Feuchtigkeit kann dazu führen, dass die Metallkontakte korrodieren, und es kann zu einer Delaminierung kommen, d. h. die Schichten innerhalb des Moduls beginnen sich zu trennen, was zu einem erheblichen Leistungsverlust führt.

Bei dem als potenzialinduzierte Degradation (PID) bezeichneten Prozess können hohe Spannungsunterschiede zwischen den Photovoltaikzellen und dem geerdeten Rahmen zu einer Ionenwanderung führen, die wiederum einen erhöhten Wirkungsgradverlust zur Folge hat.

Die Verringerung der Effizienz

Im Allgemeinen liegt die Degradationsrate von Photovoltaikmodulen zwischen 0,5 % und 1 % pro Jahr, je nach Technologie und Umgebungsbedingungen. Die Leistungsabgabe kann dadurch im Laufe einer 25-jährigen Lebensdauer um 12,5% bis 25% abnehmen. Im Vergleich zu älteren Technologien, wie z. B. Dünnschicht-Solarzellen, weisen neuere Technologien, wie z. B. monokristallines Silizium, tendenziell geringere Degradationsraten auf.

Die Metriken der Leistung

Zu den wichtigsten Leistungsparametern, die durch die Alterung beeinträchtigt werden, gehören die folgenden:

Eine geringere Lichtabsorption und ein höherer Widerstand tragen beide zu einer Verringerung des Kurzschlussstroms, auch als Isc bezeichnet, bei.
Eine Zunahme der Rekombination von Ladungsträgern führt zu einer Abnahme der Leerlaufspannung, die oft als Voc bezeichnet wird.
Der Füllfaktor (Fill Factor, FF) nimmt mit zunehmenden internen Widerstandsverlusten ab, was sich auf den Gesamtwirkungsgrad des Moduls auswirkt.

Bedenken hinsichtlich der Wirtschaft

Im Vergleich zur langfristigen Wertentwicklung sind die Anfangsinvestitionen

Das Gleichgewicht zwischen der Anfangsinvestition und dem langfristigen Energieertrag ist ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen. Der Prozess der Abschwächung und Alterung wirkt sich direkt auf dieses Gleichgewicht aus, da sie die im Laufe der Zeit erzeugte Energiemenge verringern. Dies wirkt sich wiederum auf die Investitionsrendite (ROI) aus.

LCOE steht für "Levelized Cost of Energy".

Die Stromgestehungskosten (LCOE) sind ein wichtiger Indikator, der die Kosten für die Erzeugung einer Stromeinheit im Laufe der Lebensdauer der Anlage bewertet. Die Stromgestehungskosten (LCOE) erhöhen sich bei einer Verschlechterung, da die Anlage weniger Strom erzeugt, während die Kosten für Betrieb und Wartung gleich bleiben oder steigen. Wenn es um die Erstellung von Finanzmodellen und die Sicherung von Investitionen geht, ist eine genaue Prognose der Verschlechterungsraten unerlässlich.

Garantie und Versicherung

Unter normalen Umständen bieten die Hersteller Garantien an, die ein bestimmtes Leistungsniveau garantieren, in der Regel zwischen 80 und 90 Prozent der ursprünglichen Leistung nach 25 Jahren. Ein Verständnis der Degradationsmuster ist von Vorteil, wenn es darum geht, Garantien und Versicherungspolicen auszuhandeln, was dazu beiträgt, die finanziellen Risiken zu verringern.

Strategie für Instandhaltung und Reparatur

Beobachtung und Diagnosetechniken

Eine regelmäßige Diagnose und Überwachung ist unerlässlich, um Frühindikatoren für eine Verschlechterung zu erkennen. Mit Hilfe hochentwickelter Diagnosetechnologien wie Infrarot-Thermografie, Elektrolumineszenz-Bildgebung und IV-Kurvenverfolgung können Mängel und Module, die nicht optimal funktionieren, erkannt werden.

Vorbeugende Instandhaltung und Reparatur

Die Anwendung präventiver Instandhaltungsmaßnahmen kann einige der negativen Auswirkungen des Alterns abmildern. Dazu gehören die folgenden Maßnahmen:

Um sicherzustellen, dass die maximale Lichtmenge absorbiert wird, ist eine regelmäßige Reinigung erforderlich, insbesondere an Orten, die anfällig für Staub und Verschmutzung sind.
Der Zweck des erneuten Auftragens der Dichtungsmasse besteht darin, das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern und die Unversehrtheit der Verkapselung aufrechtzuerhalten.
Elektrische Überprüfungen: Sicherstellen, dass alle Anschlüsse und Leitungen sicher und einwandfrei sind, um die Widerstandsverluste zu verringern.
Ersetzen und Recycling sind Methoden.
Irgendwann müssen Module, die einen bestimmten Wert überschritten haben, ersetzt werden. Das Recycling von PV-Modulen, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben, ist nicht nur umweltfreundlich, sondern trägt auch dazu bei, die Kosten für neue Komponenten zu minimieren. Durch effiziente Recyclingverfahren ist es möglich, wertvolle Materialien wie Silizium, Silber und Aluminium zurückzugewinnen, was wiederum den ökologischen Fußabdruck, den die PV-Industrie hinterlässt, verringert.

Verwendung von Alterungs- und Säuerungsschutzmitteln für Photovoltaikfolien

Wenn es darum geht, die Langlebigkeit, Leistung und Zuverlässigkeit von Solarmodulen zu verbessern, ist die Einführung von Chemikalien zum Schutz vor Alterung und Versauerung in Photovoltaik-Verkapselungen absolut notwendig. Diese Zusätze bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. eine verbesserte Beständigkeit gegen ultraviolettes Licht, thermische Stabilität, Schutz vor eindringender Feuchtigkeit und chemische Stabilität. Die langfristige Leistung, die Senkung der Wartungskosten, die Maximierung des Energieertrags, der Schutz von Investitionen, die Unterstützung von Garantieleistungen und der Beitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit sind allesamt notwendige Gründe für ihre Existenz. Da die Photovoltaik (PV)-Industrie weiter expandiert, wird die Verwendung von hochmodernen Verkapselungsmaterialien, die diese Additive enthalten, immer wichtiger, um die Rentabilität und Langlebigkeit von Solarenergiesystemen zu gewährleisten. Das organische Masterbatch mit der Bezeichnung RM208 zur Verhinderung von Säuren wird von COACE hergestellt. Im Gegensatz zu anorganischen Formen hat es keine Auswirkungen auf die Lichtdurchlässigkeit. Zusätzlich zu seiner Fähigkeit, Kationen zu binden und gleichzeitig Säure zu blockieren, weist es auch eine gewisse Anti-PID-Wirkung auf. R2320 ist ein epoxyfunktionalisiertes EVA-Anti-PID-Additiv, und eine Reihe von Additiven für Photovoltaik-Folien kann die Alterungs- und Säureprobleme von Solarmodulen wirksam lindern und so die Leistung der Photovoltaik erhöhen und ihre Lebensdauer verlängern!

Die Folgen für die Umwelt

Bewertung des Lebenszyklus

Die Phasen der Herstellung, des Betriebs und der Entsorgung werden in einer vollständigen Lebenszyklusanalyse (LCA) zur Bewertung von Fotovoltaiksystemen (PV) berücksichtigt. Die energetische Amortisationszeit (EPBT) und der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck verändern sich beide infolge der Degradation, die sich auf die Betriebsphase auswirkt. Im Laufe der Zeit produzieren die Module weniger Energie, wodurch sich die EPBT verlängert und sich die Umweltvorteile geringfügig verringern.

Die Verwaltung von Abfällen

Elektronikschrott ist das Ergebnis des Abbaus von Photovoltaikmodulen. Korrektes Recycling und Abfallmanagement sind absolut notwendig, um zu verhindern, dass schädliche Gegenstände die Umwelt belasten. Die ständig wachsende Menge an Photovoltaikmodulen, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben, erfordert die Umsetzung neuer Recyclingstrategien und -maßnahmen.

Fortschritte bei der technologischen Innovation

Ziel der Forschung und Entwicklung im Bereich der Photovoltaik ist es, Module herzustellen, die sowohl langlebiger als auch effizienter sind. Innovationen wie bifaziale Zellen, die das Sonnenlicht auf beiden Seiten einfangen, und Tandemzellen, die mehrere Schichten verwenden, um unterschiedliche Wellenlängen des Lichts zu absorbieren, können die Abnutzungsrate verringern und die langfristige Leistung verbessern. Diese beiden Zelltypen sind Beispiele für die jüngsten technologischen Fortschritte.

Im Allgemeinen

Im Bereich der Photovoltaikanlagen werden die technischen, wirtschaftlichen, wartungs- und umweltrelevanten Aspekte durch die Alterung und Abschwächung der Solarzellenmodule stark beeinflusst. Um die langfristige Rentabilität und Nachhaltigkeit von Photovoltaik (PV)-Systemen zu gewährleisten, ist es wichtig, diese Auswirkungen genau zu verstehen, um die Konstruktion, den Betrieb und die Wartung dieser Systeme zu optimieren. Mit dem technologischen Fortschritt und der Entwicklung verbesserter Materialien und Methoden wird es möglich sein, die Auswirkungen der Verschlechterung zu verringern, was zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit und Effizienz der Solarenergie als wichtiger Bestandteil des globalen Energiemixes führen wird. Um das Potenzial der Photovoltaik-Technologie in einer energetisch nachhaltigen Zukunft voll auszuschöpfen, sollte sich die künftige Forschung auf die Verbesserung der Haltbarkeit von Modulen, die Entwicklung hochentwickelter Diagnoseinstrumente und die Verbesserung von Recyclingverfahren konzentrieren.