Warum Solarmodule blau oder schwarz sind — Silizium und Beschichtung

Kurze Antwort: Solarmodule erscheinen blau oder schwarz aufgrund zweier Dinge: der Kristallstruktur des Siliziums und der Antireflexbeschichtung darüber. Kristallines Silizium reflektiert einen großen Teil des einfallenden Lichts – etwa 22 % bei einer blanken polierten Wafer – und die in die Oberfläche geätzte Textur zusammen mit der SiNx-Beschichtung reduzieren diese Reflexion auf etwa 4 %, sodass etwa 96 % des durch das Glas eintretenden Lichts die Zelle erreicht. Die verbleibende Farbe ist das Licht, das nicht absorbiert oder durchgelassen wird. Polykristallines Silizium hat sichtbare Korngrenzen, die Licht anders streuen als monokristallines, weshalb die beiden als unterschiedliche Blautöne erscheinen und weshalb ein komplett schwarzes Modul normalerweise auf einen bestimmten Zelltyp und Schichtstapel hindeutet und nicht auf eine rein kosmetische Wahl. Die Farbe ist daher ein grober Indikator für die Zelltechnologie.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Produkteinführung

Stellen Sie sich einen klaren Tag vor.

Sie stehen am Rand eines Daches und beobachten, wie Reihen von Solarpaneelen ruhig in der Sonne liegen. Sonnenlicht selbst ist weiß, doch diese Paneele sind nicht weiß, nicht gold, nicht transparent.

Die meisten sind blau. Oder schwarz.

Und hier stellt sich eine sehr natürliche Frage. Wenn Solarpaneele existieren, um Sonnenlicht einzufangen, warum sehen sie so dunkel aus? Unser Instinkt sagt, Weiß ist das Hellste, Silber das Glänzendste, Gold sieht am meisten wie die Sonne aus. Aber die Paneele, die tatsächlich Strom erzeugen, sehen aus wie Platten aus blau-schwarzem Glas.

Als Lieferant von Maschinen zur Herstellung von Solarpaneelen und schlüsselfertigen Lösungen für Solarpanel-Produktionslinien kann Ooitech Produktionslinien für All-Black-Module bereitstellen.

Dies ist nicht wirklich eine Frage der Ästhetik. Es ist eine jahrzehntelange technische Verhandlung zwischen Menschen und Sonnenlicht.

Blaues polykristallines Silizium versus schwarzes monokristallines Silizium

Bildunterschrift: Das Blau und Schwarz von Solarpaneelen ist keine einfache Farbe. Es ist das kombinierte Ergebnis von Kristallstruktur, Antireflexfolie und Lichtabsorptionseffizienz.

Beginnen wir mit einer einfachen Alltagserfahrung. Das Tragen von Schwarz in der Sommersonne fühlt sich heißer an. Das Tragen von Weiß fühlt sich kühler an. Weiße Kleidung reflektiert viel Licht weg. Schwarze Kleidung saugt mehr davon auf.

Solarpaneele funktionieren auf die gleiche Weise. Für die meisten Objekte sieht ein schöner Glanz gut aus. Für ein Solarpanel ist Reflexion Verschwendung. Wenn ein Sonnenstrahl auf ein Panel trifft und zum Himmel zurückprallt, wird er nie zu Strom. Nur das Licht, das in das Silizium eindringt, hat die Chance, die Elektronen zu wecken und einen Strom zu bilden. Das US-Energieministerium sagt es auch deutlich: Die Siliziumschicht absorbiert Licht, Elektronen werden angeregt, und wenn sie sich bewegen, erzeugen sie einen Strom.

Von Anfang an will ein Solarpanel also nicht weiß sein. Weiß sagt: "Sonnenlicht kam, und ich habe es dem Himmel zurückgegeben." Blau-Schwarz sagt: "Sonnenlicht kam, und ich behalte so viel wie möglich."

Technische Parameter

Warum sind so viele ältere Paneele blau?

Dies geht auf einen sehr verbreiteten Panel-Typ aus der Vergangenheit zurück: polykristallines Silizium.

Polykristallines Silizium ist kein perfekter Kristall. Es besteht aus vielen kleinen Körnern, die dicht gepackt sind. Stellen Sie sich eine zugefrorene Seeoberfläche vor, voller rissiger Eismuster. Jedes Korn zeigt in eine leicht andere Richtung. Sonnenlicht, das darauf trifft, wird überall ein wenig anders reflektiert. Deshalb sehen Poly-Paneele oft blau oder tiefblau aus, mit einer Oberfläche, die eine feine, zerklüftete, eisrissartige, metallische Textur aufweist.

Das Blau von Poly-Silizium ist also keine Farbe. Es ist eher die Textur der Siliziumkristalle, die sich in der Sonne zeigt.

Aber das Blau kommt nicht nur vom Kristall. Auf der Paneloberfläche befindet sich eine sehr dünne Schicht, die als Antireflexbeschichtung bezeichnet wird. Der Begriff klingt technisch, ist aber leicht zu verstehen. Wenn Sie eine Brille tragen, haben einige Gläser einen schwachen blau-violetten oder grünen Reflex (der Bildschirm, auf den Sie gerade schauen, macht dasselbe). Dieser Film ist keine Dekoration. Er reduziert die Reflexion, sodass mehr Licht durch die Linse fällt.

Gleiches gilt für ein Panel. Silizium ist von Natur aus ziemlich reflektierend. Unbehandelt prallt ein Teil des Sonnenlichts direkt von der Waferoberfläche ab. Daher texturieren Ingenieure den Wafer und bringen eine Antireflexbeschichtung auf, damit mehr Licht ins Silizium gelangt. Wenn das DOE die Herstellung kristalliner Siliziummodule beschreibt, wird das Aufbringen einer Antireflexbeschichtung auf die Vorderseite der Zelle als einer der Zellproduktionsschritte aufgeführt.

Rasterelektronenmikroskopbild einer Waferoberfläche

Bildunterschrift: Unter dem Mikroskop ist die Waferoberfläche keine glatte Ebene, sondern ein dichtes Feld winziger Pyramiden. Diese Textur reduziert die Reflexion und fängt mehr Sonnenlicht im Wafer ein.

Man kann sich die Antireflexbeschichtung wie einen sanften Eingang vorstellen. Wenn der optische Unterschied zwischen Luft und Silizium zu abrupt ist, wird Licht leicht zurückgeworfen. Wenn es eine Übergangsschicht dazwischen gibt, gleitet Licht leichter in den Wafer. Das schwarze Siliziummaterial von NREL hat eine Linie, die gut zu dieser Logik passt: Weniger Reflexion bedeutet mehr Absorption, was höhere Effizienz und mehr Leistung bedeutet. Standard-Texturierung und Antireflexschichten lassen eine Zelle bereits etwa 93%–97% des Sonnenlichts absorbieren, während der Schwarzes-Silizium-Prozess einen Wafer über 98% des einfallenden Lichts absorbieren lässt, weshalb er schwarz aussieht. Das sagt eines deutlich: Je effizienter ein Panel sein will, desto weniger Licht kann es sich leisten zu reflektieren.

Blau ist der kleine Restglanz von frühem polykristallinem Silizium und seiner Antireflexfolie. Schwarz ist, wie Silizium aussieht, sobald es gelernt hat, Licht zu fressen.

Technische Vorteile

Später wurden schwarze Panels immer häufiger

Dahinter steckt ein weiterer Hauptdarsteller: monokristallines Silizium.

Mono-Silizium ist eher wie ein einzelner Block mit einer einheitlichen Richtung und einer ordentlichen Struktur. Es trägt nicht die zerklüftete Textur von polykristallinem Silizium, daher wirkt seine Oberfläche gleichmäßiger, tiefer und näher an Schwarz.

Wenn polykristallines Silizium wie eine Schicht blauen rissigen Eises ist, ist Mono-Silizium wie ein Stück Obsidian.

Viele Wohnhausdächer bevorzugen heute Module in Vollschwarz. Aus der Ferne sehen sie nicht wie Raster aus Industriebauteilen aus. Sie wirken eher wie schwarzes Glas, das ordentlich verlegt ist. DOE-Daten zeigen, dass monokristallines Silizium bis 2022 bereits 96% der weltweiten Solarmodul-Lieferungen ausmachte und damit das häufigste Absorbermaterial in heutigen Modulen wurde, und industriell gefertigte Module erreichen üblicherweise einen realen Wirkungsgrad von etwa 20%–22%.

Schwarz ist also nicht nur eine Frage des hochwertigen Aussehens. Dahinter stehen gleichmäßigere Kristalle, ausgereiftere Fertigung, geringere Reflexion und ein effizienterer Weg der Lichtabsorption.

• Gleichmäßigere Kristallstruktur mit monokristallinem Silizium

• Geringere Oberflächenreflexion, mehr Licht wird im Inneren eingefangen

• Höhere Absorption, bis zu über 98% mit schwarzem Silizium

• Sauberer Look in Vollschwarz, bevorzugt auf modernen Dächern

• Ausgereifte, kostengünstige Fertigung, geeignet für Massenproduktion

Produktanwendungen

Zurück zur Geschichte der Solarenergie

1954 zeigten die Bell Labs die erste praktische Silizium-Solarzelle. Ihr Wirkungsgrad betrug nur etwa 6 %. Nach heutigen Maßstäben erscheinen 6 % gering, aber damals reichte es, um ein kleines Spielzeug anzutreiben, und es reichte, um die Menschen zum ersten Mal glauben zu lassen, dass Sonnenlicht mehr tun könnte, als Kleidung zu trocknen und Haut zu wärmen. Es konnte direkt in Elektrizität umgewandelt werden. Auch die American Physical Society hält diese Geschichte fest: Die Bell Labs demonstrierten am 25. April 1954 die erste praktische Silizium-Solarzelle, wobei frühe Siliziumzellen einen Wirkungsgrad von etwa 6 % hatten.

Historisches Foto der Solarzelle der Bell Labs von 1954

Bildunterschrift: Frühe Silizium-Solarzellen waren nicht sehr effizient, öffneten jedoch die Tür zur modernen Photovoltaik.

Es war wie ein Anfang. Die frühesten Zellen waren teuer, winzig und fühlten sich an wie ein Zukunftsspielzeug aus dem Labor. Dann gingen sie ins Weltall. Ein Satellit kann keine Kohle mitführen und nicht jeden Tag die Batterien wechseln, also wurden Solarzellen zu seiner besten Energiequelle. Danach wurden Wafer dünner geschnitten, Prozesse reiften, Kosten sanken. Diese blau-schwarzen Scheiben, die einst nur Laboren und Raumfahrzeugen gehörten, verbreiteten sich langsam über Wüsten, Fabriken, Schulen, Carports und gewöhnliche Dächer.

Auch die Farbe änderte sich im Laufe der Zeit. Vom üblichen blauen Poly-Silizium der Anfangszeit bis zum immer häufigeren schwarzen Mono-Silizium von heute mag es wie nichts weiter als ein tieferer Farbton erscheinen. Aber dahinter bewegte sich die gesamte Lieferkette vorwärts.

Weniger Reflexion. Mehr Absorption. Höherer Wirkungsgrad. Niedrigere Kosten. Besser geeignet für die großflächige Einführung. Und die Farbe wurde immer dunkler.

Schwarze Module auf einem modernen Dach

Bildunterschrift: Moderne Häuser verwenden zunehmend schwarze oder komplett schwarze Module. Sie sehen ordentlicher aus und spiegeln die Reife von monokristallinem Silizium und reflexionsarmer Bauweise wider.

Können Paneele rot, grün oder gold sein?

Natürlich können sie das.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik hat bereits viele farbige Module. Stadtgebäude wollen nicht immer eine Wand aus schwarzem Glas, daher verwenden Ingenieure spezielle Beschichtungen, Texturen und Verkapselungen, um Paneele grau, ziegelrot, grün oder sogar nahe am Ton einer gewöhnlichen Vorhangfassade zu gestalten.

Aber der Preis ist direkt. Sie sehen es als rot, weil es etwas rotes Licht zu Ihnen zurückreflektiert. Sie sehen es als grün, weil es etwas grünes Licht zurückreflektiert. Und reflektiertes Licht gelangt nie in die Zelle, um Strom zu erzeugen. Das bedeutet Ertragsverluste und geringere Erzeugungseffizienz. Farbige Photovoltaik ist nicht unmöglich. Sie erfordert nur eine neue Abwägung zwischen Optik und Effizienz.

Eine schönere Farbe macht kein besseres Panel. Ausgereiftes technisches Design landet oft nicht auf der auffälligsten Option, sondern auf der, die auf lange Sicht am zuverlässigsten, effizientesten und kostengünstigsten ist.

Kontakt und Kauf

Schauen Sie also noch einmal auf diesen blau-schwarzen Fleck auf dem Dach

Es ist nicht so, dass Solarmodule zufällig so aussehen. Es ist das Ergebnis, das durch Siliziummaterial, Kristallstruktur, Antireflexionsschicht, Herstellungskosten und Erzeugungseffizienz gemeinsam herausgefiltert wurde.

Blau ist keine Dekoration. Schwarz ist kein Geschmack.

Es ist das Panel, das Ihnen sagt, dass es das Sonnenlicht nicht an den Himmel zurückgeben möchte. Es möchte das Licht behalten, die Elektronen wecken und unsichtbare Photonen in sichtbaren Strom verwandeln. Die Sonne fällt durch die Wolken und landet auf diesem stillen Blau-Schwarz. Kein Brüllen, kein Schornstein, keine Flamme. Nur Licht, das in Silizium eindringt, Elektronen, die sich zu bewegen beginnen, Strom, der entlang dünner Metallfinger in die Ferne fließt.

In diesem Moment ist ein Solarmodul wie eine schwarze Seite, die von der Sonne vollgeschrieben wurde. Und was Menschen darauf lesen, ist eine schlichte kleine Antwort.

Um etwas mehr Sonnenlicht einzufangen, kleidete sich Silizium in Blau-Schwarz.

Ooitechs Ansicht

Der Wechsel von blauen Poly- zu vollständig schwarzen Mono-Modulen ist nicht nur ein Farbtrend, sondern eine Fertigungsgeschichte darüber, die Reflexion gegen Null zu drücken. Auf der Modulseite sehen wir das jeden Tag: gleichmäßige Mono-Zellen, enge Texturierung und saubere Laminierung sind das, was ein vollständig schwarzes Modul scharf aussehen und trotzdem leisten lässt. Wenn Sie sehen möchten, wie diese schwarzen Module tatsächlich auf einer echten Linie gebaut werden, zeigt unser YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech den Fabrikboden aus nächster Nähe, und es lohnt sich zu abonnieren, wenn Solarmodul-Herstellung Ihr Ding ist.