Die globale Erwärmung wird die Effizienz von Solarzellen verringern

• MIT-Forscher präsentieren eine einfache Projektion der Auswirkungen des Klimawandels auf die Leistung von Silizium-Photovoltaikzellen.
• Im Durchschnitt sinkt die Leistung der Photovoltaikzelle um 0,45 Prozent pro Grad Temperaturerhöhung.

Im 21. Jahrhundert werden zwei Dinge sicher passieren:Die Erde wird wärmer und der Einsatz von Sonnenkollektoren wird zunehmen. Angesichts dieser beiden Faktoren stellt sich die Frage, wie sich die globale Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten auf die Solarenergieproduktion auswirken wird.

Da Photovoltaikzellen temperaturempfindlich sind, hängt ihre Leistung in erster Linie von den lokalen meteorologischen Bedingungen wie der Aerosolkonzentration und dem Wassergehalt in der Atmosphäre ab. Die Leistung der beliebtesten Photovoltaik-Technologie, Silizium, nimmt mit steigender Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab.

Obwohl die Auswirkungen steigender Temperaturen auf die Leistung von Solarzellen in mehreren Studien untersucht wurden, blieb die Prognose von Veränderungen der Sonneneinstrahlung ungewiss. Jetzt haben Forscher des MIT eine einfache Projektion der Auswirkungen des Klimawandels auf die Leistung von Silizium-Photovoltaikzellen weltweit vorgelegt.

Sie verwendeten das Szenario Repräsentativer Konzentrationspfad (RCP) 4.5, um die Auswirkungen von Photovoltaikanlagen zu analysieren. Das Szenario prognostiziert einen Höchststand der Treibhausgasemissionen im Jahr 2040 und einen Anstieg der durchschnittlichen globalen Temperatur (1,8 Kelvin) bis 2100.

Leistung von Solarzellen sinkt, wenn sie heißer werden

Ein Solarpanel besteht aus mehreren kleineren Einheiten, die als Photovoltaikzellen bezeichnet werden. Diese Zellen funktionieren, indem sie Photonen (aus dem Sonnenlicht) erlauben, Elektronen aus den Atomen zu befreien, wodurch ein elektrischer Stromfluss erzeugt wird.

Dabei erzeugen sie auch positiv geladene „Löcher“ im Material, die in entgegengesetzter Richtung zu den Elektronen fließen. Die Effizienz von Zellen hängt davon ab, wie schnell Elektronen mit Löchern rekombinieren. Je schneller sie rekombinieren, desto geringer ist die Leistung, da sie dadurch aus dem Leitungsband herausgenommen werden.

Die Rekombinationsgeschwindigkeit ist proportional zur Temperatur. Dies bedeutet, dass die Leistung des Solarmoduls mit zunehmender Erwärmung der äußeren Umgebung abnimmt.

Da die Temperaturen fast überall auf der Erde steigen, wird die Effizienz von Solarzellen überall erwartet. Einige Regionen werden jedoch besser sein als andere. Den Forschern zufolge sind die am stärksten betroffenen (schlimmer) Regionen Zentralasien, das südliche Afrika und der Süden der Vereinigten Staaten.

Referenz:arXiv:1908.00622

Berechnungen zeigen, dass die Leistung der Photovoltaikzelle mit jedem Grad Temperaturerhöhung im Durchschnitt um 0,45 Prozent sinkt. Der Energieertrag der Silizium-Photovoltaikanlagen wird um fast 15 kWh/kWp reduziert, wobei in einigen Bereichen Verluste von bis zu 50 kWh/kWp auftreten.

Die Forscher erstellten auch eine globale Karte, um das Ausmaß der Veränderung der Energieproduktion in jeder Region anzuzeigen.

Geschätzte globale Änderung des Energieertrags für Silizium-Photovoltaikanlagen im 21. Jahrhundert 

Es ist nur eine repräsentative Figur

Die Forscher erwähnten, dass die -0,45 %/K-Marke nur ein repräsentativer Wert ist. Fortschritte in der Materialwissenschaft könnten diese Zahlen in Zukunft erheblich verändern.

Materialien mit einer größeren Bandlücke, wie Cadmiumtellurid, haben beispielsweise einen viel geringeren Abfall der Energieabgabe. Somit könnten zukünftige Solaranlagen robuster gegenüber Temperaturänderungen sein.

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Darüber hinaus ist die globale Erwärmung nicht der einzige Faktor, der die Effizienz von Solarzellen verringert. Insbesondere Schwankungen der Sonneneinstrahlung und der Luftfeuchtigkeit wirken sich auf das Sonnenlicht aus, das ein Panel erreicht. Wir müssen all diese Faktoren berücksichtigen, wenn wir grüne, erneuerbare Energiesysteme für die Zukunft planen.