Die Technik

So funktioniert Photovoltaik

Photovoltaik ist aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta zusammengesetzt. Das Wort bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsprozess beruht auf dem schon 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Darunter versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.

photovoltaische Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Die meisten derzeit produzierten Zellen bestehen aus Silizium. Dieses bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.

Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Es wird durch das definierte Einbringen von chemischen Elementen ein positiver Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder ein negativer Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielt. An der Grenzschicht der unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten entsteht ein so genannter p-n-Übergang. Hier baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt.      
Über Metallkontakte wird die elektrische Spannung abgegriffen. Wird der äußere Kreis geschlossen, indem bspw. ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird, fließt ein Gleichstrom.

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung beträgt bei Silizium etwa 0,5 V. Die Spannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke stark ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von ca 2 A. Die Leistung einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Temperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.

Um für die jeweiligen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt. Die typischen Nennleistungen heutzutage angebotener Solarmodule liegen zwischen 180 Wpeak und 270 Wpeak, wobei eine höhere wpeak-Angabe nicht bedeuten muss, dass der Modulwirkungsgrad höher ist. Oftmals wird in den "stärkeren" Modulen eine höhere Anzahl von Zellen miteinander verschaltet, was aber auch zu größeren Abmessungen und einer geringeren Flexibilität führt. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die standard test conditions (Standardtestbedingungen) von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen hohen Garantiezeiten bezeugen einen hohen Qualitätsstandard und eine hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

Der von den Modulen erzeugte DC Strom wird mittels Stringkabeln zu den Wechselrichtern geleitet, die den Strom in AC-Strom umwandeln und einer Nutzung im Haushalt bzw. einer Netzeinspeisung zuführen. Die meisten der heutzutage installierten Photovoltaikanlagen sind so konzipiert, dass der Strom, den die Photovoltaikanlage erzeugt, prioritär selbst verbraucht wird. Nur der überschüssige Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Zunehmend wird der Strom auch in Speichermedien zwischengespeichert. Hierdurch lässt sich der Eigenverbrauch nochmal wesentlich steigern und die Abhängigkeit vom Energieversorger lässt nach.

© RENOS Solar and Green Energy 2014.