Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?

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So funktioniert eine Photovoltaik-Anlage

Photovoltaik-Anlage im Betrieb - Quelle: pixabay.com

Verfasst von: ENnergy GmbH Zuletzt aktualisiert: 26. März 2020

Wie funktioniert eigentlich eine Photovoltaik-Anlage?

Der Übergang von weit entfernten Kohle- oder Atomkraftwerken als zentraler Energieversorger für millionen Haushalte hinüber in eine dezentrale Energieversorgung nimmt immer feinere Konturen an.

Am Anfang der Energiewende entstanden große Wind- oder Solarparks als alternative Energiequelle, die sich jedoch vom "zentralen Image" nicht wirklich lösen konnten. Für die breite Bevölkerung hat sich letzten Endes die Technologie des Solarstroms als umweltfreundliche Energiealternative, also Photovoltaik-Anlagen, durchgesetzt. Das liegt daran, dass Windkrafträder in der Regel ihr volles Potenzial an windigen Standorten, wie z.B. Küstenregionen eher entfalten.

Photovoltaikanlagen findet man mittlerweile auf Dächern aller Art.

Mach mit Photovoltaik und Stromspeicher deine eigene Energiewende

Um sauberen Strom produzieren zu können, empfiehlt es sich auf Solarstrom zu setzen. Solarstrom wird mithilfe von Photovoltaik-Anlagen erzeugt. Diese gibt es als mono- und als polykristalline Varianten.

Dort kommen Photovoltaik-Anlagen zum Einsatz:

  • gewöhnliche Einfamilienhäuser
  • Mehrfamilienhäuser (Mieterstrom-Modell möglich)
  • Unternehmen und Fabriken
  • Industrie und Landwirtschaft
  • Gewächshäuser
  • öffentliche Einrichtungen (z.B. Schulen, Kindergärten, Schwimmbäder, Museen, Bibliotheken, Sportplätze, etc.)
Solarzellen in einem Photovoltaik-Modul

Grafik: Konzept einer dezentralen Energieversorgung

Wie funktioniert eine gewöhnliche Photovoltaik-Anlage im Detail?

Photovoltaikanlagen (oder auch PV-Anlagen / Solaranlagen genannt) produzieren mittels ihrer Solarzellen eine bestimmte Menge an Solarstrom aus der Sonnenenergie. Bei Solarmodulen bzw. Photovoltaikmodulen wird das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Prozess der Energieumwandlung wird auch als Photovoltaik bezeichnet.

Der Aufbau von Photovoltaikmodulen

Photovoltaik-Module bestehen wie oben erwähnt aus einzelnen Solarzellen, die jedoch auf Parallelschaltung basieren, und somit parallel in Serie geschaltet sind. Die Solarzellen von Photovoltaikmodulen bestehen in der Regel aus hochreinen siliziumkristallen, welche auf Aluminiumrahmen angebracht und von einer Glasplatte geschützt sind. Diese Art von mechanischem Schutzmantel schützt die Solarzellen vor härteren Umwelteinflüssen wie z.B. Starkregen, Hagel oder der gefürchteten Korrosion. Solarzellen nutzen das Sonnenlicht für die Stromproduktion, denn das Sonnenlicht enthält massenhaft Photonen als Energieträger. Sobald die Photonen auf die Solarzelle treffen, werden negativ geladene Elektronen freigesetzt.

Aufbau einer Solarzelle

Solarzellenarten

Jeder Typus von Solarzellen hat grundsätzlich seine eigene Beschaffenheit und unterscheidet sich im Herstellungsverfahren sowie im Wirkungsgrad, also der Effizienz. Es gibt viele Solarzellentypen auf dem Markt wie zum Beispiel:

  • Dünnschichtsolarzellen
  • Konzentratorzellen
  • Organische Solarzellen
  • Farbstoffsolarzellen
  • Perowskitsolarzellen
  • Kristalline Siliziumsolarzellen (Mono- und Polykristalline Solarzellen)

Wir beschäftigen uns mit den letzteren Solarzellen, den Mono- und Polykristallinen Siliziumsolarzellen. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf unserer Erde, welches gebunden als Siliziumdioxid vorallem in Sand und Quartz unter der Erdkruste zu finden ist. Da die reine Siliziumaufbereitung heutzutage technisch sehr weit entwickelt ist verwundert es nicht, dass kritalline Siliziumsolarzellen weit verbreitet sind. Auch die breite Nutzung des Sonnenspektrums zwischen 380 und 1150 Nanometer macht kristalline Siliziumsolarzellen so populär auf dem Photovoltaik-Markt.

Historischer Hintergrund: Erste Anwendungen der Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik lässt sich aus dem griechischen Wort für Licht „phos oder photos“ zurückführen, sowie aus dem Wort Volt (nach Alessandro Volta), welches die Einheit für die elektrische Spannung ist. Dementsprechend kann ein Photovoltaik-Modul nutzbaren Strom aus (Sonnen)-Licht erzeugen.

Ihren Ursprung findet die Technologie schon seit den 1958er Jahren in der Raumfahrt. Damals startete der erste Forschungssatellit (Vanguard 1), ausgestattet mit Solarzellen und Batterie zur Stromversorgung, in die Erdumlaufbahn. Später in den 70er Jahren führte die Ölkrise von 1973-1974 sowie die Nuklearunfälle von Harrisburg und Tschernobyl zu einem radikalen Umdenken der Energieversorgung. Daraufhin wurde in den USA, Deutschland und Japan Ende der 80er Jahre die Technologie von Photovoltaik-Modulen intensiv erforscht.

Derweil werden Photovoltaik-Module für eine saubere Stromerzeugung hier auf der Erde eingesetzt. Die Art der Anwendung von Photovoltaik-Systemen reicht zu PV-Anlagen auf Dächern von Unternehmen sowie zu Ein- und Mehrfamilienhäusern bis hin zu Freilandflächen oder sogar Taschenrechnern.

Mono- oder polykristalline Photovoltaik-Module? Welche sollte ich wählen?

Die weit verbreitesten Modularten sind mono- und polykristalline Photovoltaik-Module. Doch was ist der Unterschied zwischen den beiden siliziumbasierten Modulen? Folgend sehen Sie die Vor- und Nachteile beider Solarzellenarten.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehend aus monokristallinem Silizium erreichen im Labor einen Wirkungsgrad von 25,6 %. Integriert im Modul wird ein maximaler Wert von 18,3 % erreicht. Der Wiedererkennungswert von monokristallinen Solarzellen wird durch seine Kontaktierung der Vorderseite mit Elektroden geprägt, die von der Rückseite durch die Zelle geführt werden. Dadurch schirmen die Elektroden weniger Zellfläche vor dem Sonnenlicht ab und die Stromausbeute pro Fläche wird erhöht.

Merkmale von monokristallinen Solarzellen im Modul:

  • Hoher Wirkungsgrad (im Modul integriert max. 18,3 %)
  • Hohe Stromausbeute
  • Einheitlich dunkelblaue Solarzellen

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen sind zwar nicht so leistungsstark wie monokristalline Solarzellen, jedoch deutlich kostengünstiger im Herstellungsprozess. Der Wirkungsgrad liegt derzeit bei maximal 20,8 % bzw. 16,5 % im integrierten Modul. Der Preis- Leistungsvergleich wird bei Kunden gerne in Kauf genommen, deshalb sind heutzutage über die Hälfte aller Siliziumsolarzellen mit polykristallinen Silizium im Einsatz. Polykristalline Solarzellen erkennt man an ihre leuchtend blauen Kristallmuster.

Merkmale von polykristallinen Solarzellen im Modul:

  • Etwas geringerer Wirkungsgrad (im Modul integriert max. 16,5 %)
  • Kostengünstiger im Herstellungsverfahren
  • Leuchtend blaue Kristallmuster

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