Letzte Aktualisierung am 8. Juli 2024 von Mika Lehmann
Titelbild von BRN-Pixel – stock.adobe.com
Ob Wind- und Wasserkraft oder fossile Energieträger, die meiste Energie, die weltweit verstromt wird, stammt ursprünglich aus der Kraft der Sonne. Die direkteste Möglichkeit, aus Sonnenlicht Strom zu machen und diesen vielseitig zu nutzen, ist die Photovoltaik. Bei dieser wird Sonnenlicht in Solarmodulen aufgefangen und die Energie des Lichtes in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Strom kann ins Hausnetz oder ins allgemeine Netz eingespeist werden und für so vielseitige Zwecke wie Industrie, Haushaltsgeräte, Beleuchtung oder Fortbewegungsmittel eingesetzt werden. Nicht direkt benötigter Strom kann in begrenztem Umfang gespeichert werden und steht so auch dann zur Verfügung, wenn die Sonne nicht scheint.
Hier erhalten Sie einen Überblick über die Prinzipien hinter der Stromerzeugung mit Photovoltaik. Die Einführung reicht vom Aufbau verschiedener Solarzellen über die eigentliche Stromerzeugung bis hin zur Verwendung und Speicherung der Elektrizität. Auf blauarbeit.de finden Sie Installateure für Photovoltaikanlagen, die Sie gerne zu weiteren Fragen beraten und alle anfallenden Arbeiten durchführen, wenn Sie sich für diese zukunftsweisende Technologie entschieden haben.
Aufbau von Solarzellen
Eine Solarzelle besteht aus kristallinem Silizium, das in drei Schichten übereinanderliegt. Die der Sonne zugewandte Schicht ist mit Phosphoratomen dotiert (gezielt verunreinigt), während die dem Sonnenlicht abgewandte Seite mit Boratomen dotiert ist. Während Siliziumatome vier Elektronen in der äußersten Elektronenschale haben, haben Phosphoratome fünf Elektronen und Boratome drei Elektronen. Die obere Schicht (n-Schicht) verfügt also über einen Elektronenüberschuss, während in der unteren Schicht (p-Schicht) ein Elektronenmangel besteht. Der Bereich, in dem die Schichten sich berühren, wird als Grenzschicht oder p-n-Übergang bezeichnet. Auf den beiden Schichten liegt ein metallischer Kontakt, der ähnlich der Kontakte eines Batteriefachs der Stromleitung von der Solarzelle zum Stromnetz dient. Vervollständigt wird die Solarzelle mit Plastikfolien oder Glasschichten, die auf beiden Seiten dem Schutz der Zelle dienen und mit speziellen Oberflächenbehandlungen schmutzresistent und reflexarm gemacht wurden.
So wird Licht im Solarmodul zu Elektrizität
Trifft Sonnenlicht auf ein Solarmodul, so erreichen die Sonnenstrahlen durch die geringe Schichtdicke den Grenzbereich zwischen der n-Schicht und p-Schicht. Die Photonen regen die überzähligen Elektronen in der n-Schicht an und sorgen dafür, dass sie in die p-Schicht mit ihrer geringen Elektronendichte abwandern. In vielen Fällen sorgt dies zu einem Ausgleich der Ladungsunterschiede, punktuell jedoch auch zu einem Elektronenmangel im phosphordotierten Bereich und einem Elektronenüberschuss im bordotierten Bereich. Die überschüssigen Elektronen können durch das hierbei entstehende elektrische Feld nicht zurückwandern, sodass sie durch die Kontakte in das Stromnetz fließen, während neue Elektronen am anderen Kontakt der Solarzelle zugeführt werden. Es entsteht ein elektrischer Strom, der auf vielfältige Arten genutzt werden kann.
Arten von Solarzellen
Monokristalline Solarzellen
Die hochwertigsten, aber auch teuersten Solarzellen werden aus monokristallinem Silizium hergestellt. Sie bestehen aus einem einzigen, hochreinen, sorgfältig herangezüchteten Siliziumkristall und sind entsprechend kostspielig in der Herstellung. Ihr Vorteil ist der hohe Wirkungsgrad von 20 % oder mehr. Keine andere Solarzelle setzt einen so großen Anteil der auftreffenden Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Dies macht Solarpaneele aus diesem Material besonders für Balkonkraftwerke und andere kleinflächige Photovoltaikanlagen interessant. Sie erkennen Solarmodule aus diesem Material an der einheitlichen, schwarzen Oberfläche.
Polykristalline Solarzellen
Solarmodule aus polykristallinen Solarzellen verfügen über ein markantes, aus kleinen blauen und schwarzen Flächen zusammengesetztes Aussehen. Dieses rührt von den zahlreichen, kleinen Kristallen in der Oberfläche der Siliziumschichten her. Ihr Wirkungsgrad ist mit etwa 15 % etwas niedriger als der Wirkungsgrad monokristalliner Solarzellen, dafür sind sie in der Herstellung einfacher und somit günstiger. Durch ihr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis sind Solarmodule aus diesem Material mit 80 % Marktanteil in Deutschland vorherrschend.
Dünnschichtsolarzellen
Dünnschichtsolarzellen bestehen aus amorphem, also nicht kristallinen Silizium. Auch andere Materialien wie eine Cadmium-Telluridlegierung (CdTe) können verwendet werden. Diese Materialien werden auf eine Oberfläche aufgesprüht und sind dank ihrer geringen Schichtdicke biegsam. Diese Module verfügen über einen geringen Wirkungsgrad, sind in der Herstellung allerdings deutlich günstiger als andere Solarzellen. Sie kommen deshalb vor allem dort zum Einsatz, wo Platz kein Faktor ist, etwa in großen Solarparks. Auf Hausdächern können sie jedoch häufig nicht die gewünschte Leistung produzieren.
Farbige Solarmodule
Eine interessante Alternative zu den herkömmliche, schwarz bis blau gefärbten Solarmodulen stellen in der Gestaltung von Dach und Fassade farbige Solarmodule dar. Diese werden produziert, indem das Deckglas eingefärbt oder mit einer Farbfolie überzogen wird, die den gewünschten Farbeffekt erzielt. Die Farbträger sind so konzipiert, dass möglichst viel Sonnenlicht zu den Solarmodulen durchgelassen wird und so der Wirkungsgrad nicht signifikant geschmälert wird. Farbige Solarmodule sind inzwischen in allen Farben des Regenbogens sowie in Weiß und Metallic erhältlich. Sie sind etwas kostspieliger und schlechter im Wirkungsgrad als nicht eingefärbte Solarmodule.
Vom Solarpanel ins Netz – der Weg des Stroms
Verschaltung
In einer Photovoltaikanlage werden zahlreiche Solarmodule parallel oder in Reihe geschaltet, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Bei einer parallel geschalteten Anlage arbeitet jedes Solarmodul „für sich“ und nur die von den Kontakten abgehenden Leitungen werden verbunden. Die Stromspannung entspricht so der Spannung eines Moduls, während sich die Stromstärken aufaddieren. Bei einer Reihenschaltung führt der abgehende Kontakt einer Solarzelle zum eingehenden Kontakt der nächsten Zelle. Die Solarzellen addieren ihre Spannung auf, während die Stromstärke gleich bleibt. Während die resultierende Leistung in beiden Fällen gleich ist, haben beide Schaltungsschemata Vorteile und Nachteile. Während eine Parallelschaltung auch bei dem Ausfall eines Solarmoduls Leistung bringt und Schatten auf einem Solarmodul die Gesamtleistung nicht stark beeinträchtigt, benötigt eine solche Photovoltaikanlage stärkeres Sonnenlicht, um die notwendige Spannung zu erzeugen. Auf der anderen Seite liefern Solarmodule in Reihenschaltung auch bei geringerem Lichteinfall Strom in der benötigten Spannung, der Ausfall oder die Beschattung eines Solarmoduls führt jedoch zu einem sofortigen Leistungseinbruch der gesamten Photovoltaikanlage. Die ideale Verschaltung hängt somit stark von den individuellen Umständen ab.
Einspeisung
Wer auf seinem Dach oder Balkon Strom erzeugt, der möchte diesen in den meisten Fällen selbst nutzen. Für diesen Zweck gibt es sogenannte Steckersolarsysteme. Die Installation ist denkbar einfach, denn nach der Montage des Solarpanels muss nur ein Stecker in eine Steckdose eingesteckt werden. Ein im Gerät integrierter Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Solarzelle in Wechselstrom um. Der so eingespeiste Haushaltsstrom steht im haus- oder wohnungseigenen Stromkreislauf zur Verfügung und kann kostenfrei genutzt werden. Eine Einspeisung in das öffentliche Netz findet hier nicht statt.
Eine Photovoltaikanlage, die Strom auch in das öffentliche Netz einspeisen kann, muss über einen Wechselrichter und einen Einspeisezähler mit dem öffentlichen Netz verbunden werden. Hier wird zwischen Überschusseinspeisung und Volleinspeisung unterschieden. Während Sie bei der Überschusseinspeisung mit dem erzeugten Strom erst den hauseigenen Strombedarf decken und nur überzählige Leistung einspeisen, wird bei der Volleinspeisung jedes Watt dem öffentlichen Netz zur Verfügung gestellt. Dies ist weniger wirtschaftlich, da die Einspeisevergütung geringer als der Strompreis ist, jedoch ist die Einspeisevergütung bei Volleinspeisung höher als bei Überschusseinspeisung. Eine Volleinspeisung lohnt sich somit bei großen Solaranlagen, die Strom weit über den Eigenbedarf hinaus produzieren. Auch eine Aufteilung einer Photovoltaikanlage in Überschusseinspeisung und Volleinspeisung ist möglich.
Ladestation, Speicher und Wärmepumpe – Alternativen zum direkten Verbrauch
Damit Sie den günstig und umweltfreundlich in der Photovoltaikanlage erzeugten Strom auch nutzen können, wenn die Sonne gerade nicht scheint, gibt es einige Speichermöglichkeiten. So können Sie den Strom in einem hauseigenen Stromspeicher lagern und bei Bedarf abrufen, eine Wärmepumpe betreiben und die Energie so in Wärme für Brauchwasser und Heizleistung umwandeln oder über eine Ladestation Ihr Elektroauto aufladen.
