Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage

Immer häufiger nutzen Menschen die Solarenergie, um die Umwelt zu entlasten und dabei gleichzeitig Energiekosten zu sparen. Doch wie genau entsteht Strom aus Sonnenlicht?

Wie entsteht Strom aus Sonnenlicht?

Das Funktionsprinzip einer Photovoltaikanlage ist es, eine direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu ermöglichen. Die Funktionsweise einer PV-Anlage ist dabei im Prinzip recht simpel. Eine Photovoltaikanlage besteht aus einer Anzahl von Photovoltaik-Modulen. Ein PV-Modul wiederum besteht aus Solarzellen, diese bilden den kleinsten Bauteil einer PV-Anlage. Der Großteil der gängigen Solarzellen besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Vor allem die Solarzellen sind für das Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie verantwortlich.

Das Solarmodul, bestehend aus einer Vielzahl von Solarzellen, nimmt das Sonnenlicht auf und absorbiert die Photonen der Sonnenstrahlen. Daraufhin werden elektrische Ladungsträger, sogenannte Elektronen freigesetzt. Um die Elektronen nutzen zu können, muss die Ober- und Unterseite einer jeden Solarzelle mit Fremdatomen zunächst gezielt verunreinigt werden. Hierfür kommen häufig Bor und Phosphor zum Einsatz. Durch die gezielte Verunreinigung der Solarzelle sammeln sich die Elektronen als negativer Ladungsträger auf der einen Seite und die Protonen als positiver Ladungsträger auf der anderen Seite.

Auf diese Weise entsteht ein Plus- und Minuspol, der mit einer Batterie vergleichbar ist. Fällt nun Sonnenlicht auf das Photovoltaikmodul werden die Elektronen der Solarzelle aktiviert und sie wandern zum Pluspol. Somit beginnt elektrische Energie in Form von Gleichstrom zu fließen. Eine einzelne Solarzelle liefert jedoch nur eine geringe elektrische Leistung. Deshalb werden mehrere Solarzellen in Serie oder parallel zu einem Modul zusammen geschaltet. Die dünnen Solarzellen eines Moduls werden zudem durch eine Glasscheibe durch Witterungsbedingungen und möglichen Schäden geschützt. Anders als Wärme lässt sich elektrischer Strom allerdings nicht einfach „aufbewahren“. Das bedeutet, dass der erzeugte Strom in der Regel entweder mittels eines Stromkabels direkt in das Haus transportiert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. In den letzten Jahren werden die Photovoltaikanlagen jedoch immer häufiger mit sogenannten Stromspeichern kombiniert. Der Stromspeicher ähnelt dabei einem Akku und bevorratet die erzeugte elektrische Energie so lange, bis Bedarf im Haushalt besteht. Die gewonnene Solarenergie kann auf diese Weise auch in den Abend- und Nachtstunden verwendet werden.

Gleich und Wechselstrom

In den Solarzellen wird die absorbierte Sonneneinstrahlung zu Gleichstrom umgewandelt. Beim Gleichstrom handelt es sich um Strom, der ständig in dieselbe Richtung fließt, nämlich vom Pluspol zum Minuspol. Das öffentliche Stromnetz hingegen basiert auf den Wechselstrom. Dementsprechend übernimmt ein sogenannter Wechselrichter die Aufgabe, den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Doch was genau ist unter Wechselstrom zu verstehen? Beim Wechselstrom wechselt der Strom in bestimmten Zeitabständen sinusförmig die Richtung. Die Zeitabstände werden auch Frequenz genannt. In deutschen Stromversorgungsnetzen hat der Wechselstrom in der Regel eine Frequenz von 50 Hz.

Dies bedeutet, dass der Strom 50mal pro Sekunde seine Richtung ändert. Ein Vorteil des Wechselstroms ist es, dass er auch über größere Distanzen hinweg fast verlustfrei übertragen werden kann. Dies hängt damit zusammen, dass er sich sehr gut auf hohe Spannungen hinweg transformieren lässt. Auch lässt sich Wechselstrom in Generatoren einfach herstellen. Da die Solarzellen jedoch lediglich Gleichstrom produzieren, muss dieser mit bestimmten Geräten transformiert werden, damit er von den herkömmlichen Verbrauchern genutzt werden kann. Hierfür werden mehrere sogenannte Wechselrichter zwischen der Gleichstromquelle und dem öffentlichen Netz geschaltet, sodass der Solarstrom als Wechselstrom mit entsprechender Frequenz ins öffentliche Netz eingeführt werden kann.

Verschiedenen Solarzellentechniken einer Photovoltaik Solaranlage

Je nach Kristallart unterscheidet man zwischen drei Zelltypen bei einer Photovoltaikanlage. So gibt es unter anderem die monokristallinen Solarzellen, die polykristallinen Solarzellen und die Dünnschichtsolarzellen. Die monokristallinen Solarzellen haben bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom den höchsten Wirkungsgrad mit ca. 14-16%. Zur Herstellung der monokristallinen Siliziumzellen benötigt man jedoch hochreines Halbleitermaterial. Dieses wird in der Regel aus einer Siliziumschmelze gewonnen, indem einkristalline Stäbe daraus gezogen und anschließend in dünne 0,25mm Scheiben gesägt werden. Die Herstellung von polykristallinen Solarzellen ist dagegen kostengünstiger und mit weniger Aufwand verbunden.

Bei der Gewinnung der polykristallinen Solarzellen wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, bei denen jedoch an den Grenzen der einzelnen Kristalle, den sogenannten Korngrenzen, Defekte auftreten können.

Dies hat auch Auswirkungen bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Der Wirkungsgrad der polykristallinen Solarzellen ist geringer als bei den monokristallinen Siliziumzellen und beträgt ca. 13-15%.  Bei dem dritten Zelltyp, den Dünnschichtsolarzellen, handelt es sich um eine kostengünstige Option zur Nutzung der Sonnenenergie, da für diesen Zelltypen deutlich weniger Halbleitermaterial benötigt wird. Bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden die photoaktiven Halbleiter als dünne Schichten auf Glasscheiben aufgebracht.

Daraufhin werden sie zu Solarmodulen verschaltet und durch eine zweite Glasplatte hermetisch versiegelt. Die Schichtdicken betragen dabei weniger als 1 µm. Aufgrund der geringen Materialkosten wurden in den letzten Jahren verstärkt Dünnschichtsolarmodule entwickelt. Ihr Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ist jedoch am geringsten und liegt bei ca. 6-8%. Der Wirkungsgrad kann jedoch mit neuen Materialien, wie beispielsweise Cadmium Tellurid und Kupfer-Indium-Diselenid auf 8-10% erhöht werden.

Wie funktioniert das Modul einer Solaranlage?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus einer Anzahl von Photovoltaik Modulen. Das Prinzip eines Solarmodul bzw. ein Photovoltaikmoduls ist es, das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Solarmodul besteht aus einer Vielzahl von Photozellen bzw. Solarzellen, die miteinander elektrisch verschachtelt werden und entweder in Serie oder parallelgeschaltet sind. Die Solarzellen werden in der Regel sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite durch eine transparente Schicht von der Feuchtigkeit geschützt. So kommen beispielsweise wetterfeste Kunststofffolien zum Einsatz. Die Vorderseite einer Solarzelle ist zudem mittels einer Glasscheibe vor Witterungsverhältnissen geschützt. Eine Solarzelle besteht in der Regel aus dem Halbleitermaterial Silizium. Eine Eigenschaft von Halbleitern ist die hohe Leitfähigkeit bei Energiezufuhr.

Wenn das Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, so verursacht dies elektrische Spannung. Da eine einzelne Solarzelle jedoch nur eine geringe elektrische Leistung liefert, werden die Solarzellen eines Solarmoduls miteinander verschachtelt. Somit kann die aufgenommene elektrische Spannung der Solarzellen in Reihenschaltung miteinander addiert werden. Durch die Verbindung mehrerer Solarmodule lässt sich die Leistung und somit auch der erzeugbare Solarstrom erhöhen. Die Solarmodule liefern die erzeugte elektrische Energie im Anschluss an den Wechselrichter. Es ist auch möglich, für jedes Solarmodul einen eigenen Wechselrichter zu nutzen. Dies birgt den Vorteil mit sich, dass ein schadhaftes bzw. im Schatten liegendes Solarmodul die anderen Module nicht beeinträchtigt. Die Photovoltaikmodule würden auf diese Weise unabhängig voneinander arbeiten.