Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Dank der gesunkenen Anschaffungskosten und der gestiegenen Effektivität, sind Photovoltaikanlagen heute eine attraktive und umweltschonende Möglichkeit, Strom zu erzeugen. Doch wie funktioniert eine Photovoltaikanlage? Wie wird aus Sonnenlicht Strom gewonnen und gibt es Unterschiede zwischen den Modulen?

Funktionsweise Photovoltaik

Photovoltaik bedeutet die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen. Diese können in Serie oder parallel geschaltet sein, wobei die Reihenschaltung die Stromstärke erhöht und die Parallelschaltung die Spannung. Die Solarzellen befinden sich in den Solarmodulen, aus denen die Photovolatikanlage besteht.

Typischer Aufbau eines Solarmoduls

Die durch Lötbändchen miteinander verschalteten Solarzellen sind in eine transparente Kunststoffschicht eingebettet und befinden sich im Solarmodul direkt unter dem zur Sonne zugewandten Sicherheitsglas. Diese Glasscheibe schützt vor Schmutz und Wettereinwirkungen wie Hagel.

Weitere Bestandteile des Solarmoduls sind eine Unterkonstruktion mit witterungsbeständiger Kunststoffverbundfolie, einem Aluminiumrahmen sowie Anschlussdose, Anschlusskabel und Stecker.

Solarmodule auf einem Dach
Eine Photovoltaikanlage besteht aus miteinander verbundenen Solarmodulen

Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle

Die Solarzelle ist der entscheidende Bestandteil des Solarmoduls. Hier findet die Energiegewinnung statt.

Sie besteht aus Silicium-Halbleiterschichten, welche mit bestimmten chemischen Elementen vermischt werden. So entsteht eine obere Schicht, die meist mit negativ dotierten Phosphoratomen durchsetzt ist und eine untere Schicht mit positiv dotierten Boratomen. Dies bewirkt, dass in der oberen Schicht (n-Schicht) ein Elektronenüberschuss und in der unteren Schicht (p-Schicht) ein Elektronenmangel (sogenannte Fehlstellen oder „Löcher“) entsteht.

Dieses Ungleichgewicht löst folgenden Prozess aus: Die Elektronen aus der oberen Schicht und die Fehlstellen aus der unteren Schicht bewegen sich aufeinander zu und verbinden sich locker in einer neutralen Zone, in der beide Schichten aufeinander treffen, dem sogenannten p-n-Übergang. Nun herrscht in der oberen Schicht ein Elektronenmangel und in der unteren Schicht ein Fehlstellenmangel. Dadurch verschiebt sich die Ladung und ein elektrisches Feld mit Plus- und Minuspol entsteht zwischen beiden Kontaktflächen.

Wenn jetzt durch Sonnenlicht Photonen in die neutrale Zone gelangen, übertragen diese ihre Energie auf die locker gebundenen Elektronen. Die lösen sich daraufhin aus ihrer Bindung und werden zu freien Ladungsträgern. Ein Teil von ihnen löst sich nach kurzer Zeit wieder auf, ein anderer Teil wandert zurück in die obere Schicht. Spannung und nutzbarer Strom entsteht, der im äußeren Stromkreis von der oberen zur unteren Kontaktfläche fließt.

Schema zum Aufbau einer Silicium-Solarzelle
So ist eine Silicium-Solarzelle aufgebaut

Verschiedene Solarzellen-Typen

Am häufigsten kommen dickschichtige Zellen auf Siliciumbasis zum Einsatz. Dazu gehören monokristalline Siliciumzellen (c-Si) und multi- oder polykristalline Siliciumzellen (mc-Si). Erstere besitzen zwar einen größeren Wirkungsgrad (über 25 Prozent), doch durch das zeit- und energieaufwendige Rekristallisieren entsteht eine höhere Energie-Rücklaufzeit.

Polykristalline Siliciumzellen hingegen erreichen zwar nur einen Wirkungsgrad von etwa 18 Prozent, sind jedoch wesentlich einfacher herzustellen. Aus diesem Grund haben sich vor allem die polykristallinen Siliciumzellen durchgesetzt und sind nun die meist verwendeten Zellen.

Neben den dickschichtigen Siliciumzellen gibt es dünnschichtige Zellen. Zu ihnen gehören die sogenannten amorphen Zellen, die durch das Aufdampfen einer dünnen Siliciumschicht hergestellt werden. Sie besitzen einen geringen Wirkungsgrad von etwa 6 Prozent und finden hauptsächlich Anwendung in Taschenrechnern und Uhren.

Neben den Siliciumzellen gibt es noch andere Solarzellen-Typen. Etwa die folgenden Halbleiter-Solarzellen:

  • Galliumarsenid-Zellen (kommen aufgrund ihrer Robustheit und hohem Wirkungsgrad vor allem in der Raumfahrt zum Einsatz)
  • CdTe-Zellen (finden im Labor Verwendung in Dünnschichtsolarzellen)
  • CIS- und CIGS-Solarzellen (bestehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, einem teuren Rohstoff, weshalb die Zellen bisher kaum im Einsatz sind)

Desweiteren gibt es organische Solarzellen, die noch über einen relativ geringen Wirkungsgrad und eine kurze Lebensdauer verfügen, Farbstoffzellen, die ähnlich wie bei der Photosynthese organische Farbstoffe nutzen, um Licht in Energie umzuwandeln sowie Halbleiter-Elektrolytzellen, die jedoch recht unzuverlässig und nur im geringen Maße Strom produzieren.

Definition von „Photovoltaik“

Das Wort „Photovoltaik“ leitet sich übrigens aus dem griechischen Wort „photo“ für Licht und der Einheit für Spannung, Volt, ab.

Der photoelektrische Effekt wurde bereits 1839 durch den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt, der mit mit elektrolytischen Zellen experimentierte. Er maß den Strom, der zwischen der Platin-Anode und -Kathode in den Zellen floss und stellte dabei fest, dass in heller Umgebung mehr Strom floss als im Dunkeln. Bis diese Erkenntnis eine praktische Anwendung fand, vergingen jedoch noch viele Jahre. Erst seit 1958 wird die Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt – dem ersten, sinnvollen Anwendungsgebiet für die damals noch teuer herzustellenden Solarzellen.

Astronaut neben Raumstation mit Solarzellen
Erstes echtes Einsatzgebiet für Photovoltaik: Die Raumfahrt

Zu verdanken haben wir diesen Durchbruch Hans Ziegler, einem Münchner Ingenieur, der sich besonders intensiv für den Einsatz der Solarzellen zur Energieversorgung an Bord eines us-amerikanischen Satelliten einsetzte. Dank der somit gewonnenen verlängerten Lebensdauer des Satelliten, stellten die Wissenschaftler bei der Auswertung seiner Flugbahnen erstmals fest, dass die Erde keiner geometrisch korrekten Kugel entspricht.

Mittlerweile dient die Photovoltaik auch der Stromerzeugung hier auf Erden – auf privaten, kommunalen und Industriedächern, an Balkonen, auf Parkscheinautomaten, in den bereits erwähnten Taschenrechnern, an Schallschutzwänden, auf Freiflächen an Land und auf dem Wasser.