Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Photovoltaikanlagen, auch Solaranlagen genannt, sind in Deutschland nicht mehr wegzudenken.
Der Übergang von weit entfernten Kohle- oder Atomkraftwerken als zentraler Energieversorger für Millionen Haushalte hinüber in eine dezentrale Energieversorgung ist längst fester Bestandteil der Energie- und Klimapolitik.
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 durchgesetzt, also Photovoltaik-Strom. Das liegt daran, dass Windkrafträder ihr volles Potenzial an windstarken Standorten entfalten, wie es z.B. in Küstenregionen der Fall ist.
So funktioniert's
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 einer Solarzelle 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.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
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.
Der Unterschied zwischen
mono- und polykristallinen
Photovoltaik-Modulen
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 Photovoltaikmodule
Monokristalline Photovoltaikmodule mit monokristallinen Solarzellen bestehen aus monokristallinem Silizium und erreichen im Durschnitt eine Modulleistung von 20%. 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
Photovoltaikzellen
- Hoher Wirkungsgrad
- Hohe Stromausbeute
- Einheitlich dunkelblaue Solarzellen
- Auch mit schwarzen Zellen erhältlich
- Effiziente Halbzellentechnologie
Polykristalline Photovoltaikmodule
Polykristalline Photovoltaikmodule mit polykristallinen Solarzellen sind zwar nicht so leistungsstark wie monokristalline Variante, jedoch deutlich kostengünstiger im Herstellungsprozess. Der Wirkungsgrad liegt im Durchschnitt bei ca. 15%.
In Zeiten von hohen Einspeisevergütungen war das Modell der Volleinspeisung die attraktivere Variante. Somit nahmen Kunden die geringe Moduleffizienz von polykristallinen Photovoltaikmodulen gerne in Kauf.
Heutzutage wird ein möglichst hoher Eigenverbrauch angestrebt. Und dafür bieten sich monokristalline Photovoltaikmodule in Kombination mit einem leistungsstarken Stromspeicher an.
Polykristalline Solarzellen erkennt man an ihre leuchtend blauen Kristallmuster.
Merkmale von polykristallinen
Photovoltaikzellen
- Etwas geringerer Wirkungsgrad
- Kostengünstiger im Herstellungsverfahren
- Leuchtend blaue Kristallmuster
Anwendungsgebiete
Sie sind auf allen möglichen Dächern und in unterschiedlichster Stückzahl vertreten. Angefangen vom regulären Einfamilienhaus mit durchschnittlich 3 – 9 kWp Photovoltaik-Leistung bis hin zu größeren Dimensionen ab 10 kWp PV-Leistung aufwärts.
Photovoltaikanlagen ab 10 kWp Leistung sind in der Regel auf Dächern von
- Mehrfamilienhäusern
- Unternehmen
- landwirtschaftlichen Betrieben
- Schulen und öffentlichen Einrichtungen
Historischer Hintergrund
Erste Anwendungen der Photovoltaik-Technologie
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.