Photovoltaik Funktion

Bei der Photovoltaik sorgt der sogenannte photoelektrische Effekt dafür, dass Sonnenlicht in elektrische Energie und damit in Strom umgewandelt wird. Dieser Vorgang geschieht in einer Solarzelle. Da nur wenig Strom über eine Solarzelle produziert werden kann, sind in der Regel mehrere Solarzellenmodule erforderlich.

In einer Photovoltaik Solarzelle wird Sonnenlicht nur in Gleichstrom umgewandelt. Um nutzbaren Strom in Deutschland zu erhalten, ist Wechselstrom notwendig. Dieser wird erzeugt, indem ein sogenannter Wechselrichter installiert wird. Er übernimmt die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.

Wer ist der Erfinder der Photovoltaik?

Die Grundbasis der Photovoltaik wurde durch den Franzosen Alexandre Edmond Becquerel im Jahre 1839 entdeckt. Der damals erst 19 Jahre alte Physiker führte ein Experiment mit einer Batterie sowie galvanischen Elementen durch. Er ließ Licht darauf strahlen und erkannte eine elektrische Spannung, die sich daraus ergab.

Allerdings fand er seinerzeit keine Erklärung für den Vorgang. Diese entdeckte erst der englische Elektroingenieur Willoughby Smith im Jahre 1877. Er wies nach, dass Selen als Halbleiter den photovoltaischen Effekt auslöste. Rund sechs Jahre später wurde von dem Amerikaner Charles Fritts das erste Solarmodul mit Solarzellen aus Selen gebaut.

Was ist der Unterschied zwischen einem Solarkollektor und einem Solarmodul?

Es gibt für diese zwei Begriffe keine offizielle Festlegung. Dennoch sind sich Experten einig: Der Solarkollektor liefert Wärme, die Solarmodule liefern Strom.

Woraus besteht eine Solarzelle?

Solarzellen werden ausschließlich aus Silizium hergestellt. Silizium ist das zweithäufigste Element nach Sauerstoff. Rund ein Viertel der Erdkruste besteht aus Silizium in Form von Quarzsand (Siliciumoxid) und Silikatgestein.

Gereinigtes polykristallines Silicium
Gereinigtes polykristallines Silizium

Wie wird aus Silizium eine Solarzelle?

Hochreines Silizium bildet bei ca. 1.400 Grad zu einer Kristallstruktur aus und wird anschließend hart. Das kristallisierte Silizium wird dann zu rechteckigen Säulen geformt. Diese Säulen werden mit modernster Drahtschneidetechnik in hauchdünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Nach der Reinigung und einer gründlichen Endprüfung bilden die mono- und polykristallinen Wafer die Basis für die Produktion von Solarzellen.

In einem weiteren Produktionsschritt werden die Wafer zu Solarzellen weiterverarbeitet. Sie bilden das Grundelement der entstehenden Solarmodule. Die Zellen verfügen bereits über alle technischen Eigenschaften, um aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen. 

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Trifft Licht auf eine Solarzelle, so entsteht eine elektrische Spannung. Verantwortlich dafür ist ein physikalischer Effekt, vergleichbar mit dem Drehen eines Fahrraddynamos. Die positiv geladenen Teilchen bewegen sich zum Pluspol und die negativen zum Minuspol.

Es entsteht eine Spannung. Wird dieser Stromkreis zwischen beiden Polen beispielsweise mit einer Glühlampe geschlossen, entsteht Strom, und die Lampe leuchtet. Doch ähnlich wie beim Fahrraddynamo erzeugt der Rotor nur dann Energie, wenn er angetrieben wird. Eine Solarzelle erzeugt dann Strom, wenn Licht auf die Oberfläche der Zelle trifft.

Die Zellen werden in einem PV-Modul verschweißt und gegen allerlei Umwelteinflüsse haltbar gemacht. Heute kennen wir unterschiedliche Energiearten wie beispielsweise Wind- oder Wasserkraft, Bioenergie oder Geothermie. Doch auch die Sonnenenergie gehört zu den ‚erneuerbaren Energiequellen‘; mit Ihrer Hilfe kann man auf relativ einfache Art und Weise elektrische Energie erzeugen.

Die Solarenergie ist eine sehr umweltfreundliche Energiegewinnung und kann auf eine praktisch „unerschöpfliche“ Energiequelle zurückgreifen: unsere Sonne. Die Sonnenenergie ist also nicht ohne Grund eine der beliebtesten Energieformen, mit der man derzeit arbeiten kann. Die Sonne ist „gratis“ und bietet eine gute Alternative zu umweltschädlichen Energieträgern.

Welche Typen von Solarzellen gibt es?

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen entstehen aus dem Zersägen eines runden Siliziumstabs mit völlig regelmäßiger Kristallstruktur – ein Einkristall, deshalb “mono”. Erkennbar sind diese Zellen an der völlig homogenen dunklen Oberfläche. Monokristalline Standard Solarzellen können bis zu 20 % des einfallenden Lichts in Strom umwandeln.

Monokristalines_Silizium_für_die_Waferherstellung Bildquelle: Saperaud_Wikipedia

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen werden aus Siliziumblöcken gesägt. Das heiße Silizium wird dazu in rechteckige Formen gegossen. Beim Abkühlen bilden sich unregelmäßige Strukturen aus vielen kleinen Kristallen – deshalb “poly”. Erkennbar sind sie an einer Eis-blumenähnlichen Oberflächenstruktur. Polykristalline Solarzellen haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Sie sind kostengünstiger in der Herstellung.

Amorphe Solarzellen

Bei amorphen Solarzellen handelt es sich nicht mehr um einzelne kleine Solarzellen, die nach der Herstellung verschaltet werden müssen. Das Modul wird stattdessen in einem Stück produziert. Dabei wird das Halbleitermaterial als hauchdünne Schicht auf Glas oder Metallfolie aufgebracht. Diese Schichten sind nur ein Hundertstel so dick wie bei den kristallinen Solarzellen.

Manche Hersteller kombinieren mehrere Solarzellenschichten übereinander, um verschiedene Lichtanteile besser zu nutzen und damit herbere Wirkungsgrade zu erzielen. Aus physikalischen Gründen sind die Wirkungsgrade der amorphen Solarzellen bei derzeit ca. 10-14 % deutlich geringer als bei kristallinen Zellen.

Von der Solarzelle zum Solarmodul zum Solargenerator

Viele elektrisch verbundene Solarzellen werden in einem Solarmodul zwischen Glas und Kunststofffolien eingeschweißt und damit vor Umwelteinflüssen geschützt. Werden mehrere solcher Solarmodule gemeinsam installiert, nennt man diese Anordnung auch Solargenerator.

Welche Komponenten werden für eine Solaranlage auf einem Dach benötigt?

Die Solarmodule auf dem Dach produzieren Gleichstrom. Die Module werden auf einer Unterkonstruktion stabil auf dem Dach befestigt. Der produzierte Gleichstrom wird im Wechselrichter, welcher meistens im Keller ist in Wechselstrom umgewandelt. Anschließen wird dieser Wechselstrom im Haus verbraucht oder in einer Batterie gespeichert. Wenn zu viel Strom produziert wurde, fließt dieser ins öffentliche Netz, wo andere Verbraucher diesen nutzen können.