Grundlagen der Photovoltaik

Über die technischen Grundlagen der Photovoltaik – Anders als bei der Solarthermie wird die Sonnenenergie bei der Photovoltaik direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Als Teil der politisch beschlossenen Energiewende wird die Photovoltaik als regenerative Energieform finanziell gefördert. Dies geschieht durch vergünstigte Kredite der KfW und durch eine gesetzlich festgeschriebene Einspeisevergütung für den erzeugten Solar Strom.

Arten und Bauweisen
Eine Photovoltaik Anlage, die auch als PV-Generator bezeichnet wird, ist größtenteils immer gleich aufgebaut. Nur die Befestigung und die Art der Solarzellen unterscheiden sich.

Die Solarzellen sind in Modulen gruppiert, die zusammengeschlossen werden. Ein Modul besteht aus den Solarzellen, die außen von einer Glasschicht und innen von einer transparenten Kunststoffschicht geschützt werden. Zudem bündeln diese Schichten die Sonneneinstrahlung. Unter der Solarzelle befindet sich die Verkabelung. Ein Wechselrichter ist ebenfalls eingebaut. Zusammengehalten wird ein Modul von einem stabilen Rahmen (meist aus Aluminium).

Weiterhin ist entweder eine Unterkonstruktion für das Aufstellen der Solaranlage auf dem freien Feld oder eine Dachbefestigung Bestandteil einer Anlage für Solarenergie. Teilweise besitzen diese Unterkonstruktionen eine automatische Ausrichtungssteuerung für den idealen Neigungswinkel zur Sonneneinstrahlung. Somit kann immer die größte Ausbeute an Strahlungsenergie gewährleistet werden.

Die Solarzelle an sich besteht in den meisten Fällen hauptsächlich aus Silizium. Andere Halbleiter wie Indium oder Germanium kommen ebenfalls zum Einsatz. Sie ist in zwei Schichten aufgebaut: der n-Schicht und der p-Schicht. Zwischen den beiden entsteht ein elektrisch geladenes Feld – die pn-Schicht.

Es existieren unterschiedliche Arten von Solarzellen. Sie sind in die Typen monokristalline, polykristalline und amorphe Zelltypen zu gruppieren. Die monokristallinen Zellen weisen zwar den höchsten Wirkungsgrad auf, sind aber auch die teuersten Solarzellen auf dem Markt. Sie kommen auf Dächern und in Solarstromanlagen auf dem freien Feld sowie in der Raumfahrt zum Einsatz. Polykristalline (auch multikristallin genannt) Solarzellen haben den selben Einsatzzweck, haben jedoch einen schwächeren Wirkungsgrad. Jedoch sind sie günstiger zu produzieren und besitzen damit ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Amorphe Zellen (Dünnschichtzellen) sind vor allem in der Raumfahrt und in Taschenrechnern zu finden.

Funktionsweise (vereinfacht)
Mit dem Lichteinfall kommen die Elektronen der Schicht mit Elektronenüberschuss (n-Schicht) in Bewegung und orientieren sich in Richtung p-Schicht, die einen Elektronenmangel aufweist. Es liegt also eine Spannung an. Die pn-Schicht greift durch einen Metallkontakt die in Bewegung befindlichen Elektronen ab und leitet sie an einen Wechselrichter weiter, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt und in das Netz einspeist.

Technische Herausforderungen
Das größte Problem der Solarenergie ist der geringe Wirkungsgrad. Mit zunehmender Forschung ist aber anzunehmen, dass dieser in den nächsten Jahren beträchtlich steigt und neue Typen der Solarzelle hergestellt werden.

Ein weiteres Problem der Solarenergie ist ganz natürlich: die Sonne scheint nicht immer und nicht gleich stark. Schwankungen in der Netzeinspeisung sind die Folge. Teils wird zu wenig, teils zu viel Strom produziert. Dafür müssen neue Speichersysteme (z.B. Akkumulatoren) entwickelt werden und bestehende Möglichkeiten ausgebaut werden (z.B. Wasserspeicherkraftwerke).

Nachteile und Probleme
Alle momentan verfügbaren Solarzellen unterliegen einer stetigen Leistungsminderung, die bis zu 0,3 Prozent Wirkungsgradverlust pro Jahr betragen kann. Das muss bei einer Solar Investition in der Berechnung berücksichtigt werden. Zudem bestehen keine langfristigen Studien zur Lebensdauer, da die Technik noch zu neu ist. Viele Hersteller geben aber eine Garantie bis zu 25 Jahren für ihre Solar Module.

Auch die umweltfreundliche Produktion muss verbessert werden. Der CO²-Ausstoß der Produktion ist zwar mit dem Betrieb einer Anlage schnell amortisiert, aber es werden derzeit noch viele giftige Stoffe benötigt. Zudem werden seltene Erden verbraucht, die größtenteils im politisch fragwürdigen China liegen.

Bildnachweis: Pink Dispatcher (Bernd Sieker, http://www.flickr.com/photos/pink_dispatcher/483756270/)