Wie funktioniert Photovoltaik eigentlich?

Herkömmliche Energieressourcen werden knapp oder schaden in ihrer Gewinnung der Umwelt (Fracking).

Da ist es nicht verwunderlich, dass man auf der Suche nach Alternativen „Energiespender“ gefunden hat, die immer vorhanden sind und auch nicht drohen, zur Neige zu gehen.

Ihre Umweltverträglichkeit macht sie perfekt, um in unseren Häusern für elektrische Energie bzw. Wärme zu sorgen.

Die Rede ist von Solar- und Windenergie. Dieser Text konzentriert sich auf die Solarenergie und wie diese mittels Photovoltaik in Strom umgewandelt wird.

Doch wie funktioniert Photovoltaik eigentlich?

Eine Solaranlage setzt sich aus einzelnen Solarzellen zusammen, die die Solarmodule darstellen, aus Wechselrichter, Stromspeicher, Verkabelung und Anschluss.

Bestimmte Materialien besitzen die Fähigkeit, Licht in Strom umzuwandeln. Sogenannte Halbleiter verdanken ihren Namen der Eigenschaft, dass sie sich sowohl wie elektrische Leiter, wie auch als Nichtleiter verhalten können.

In der einzelnen Solarzelle kann das nichtleitende Material leitfähig werden, indem die Elektronen mittels der Absorption eines Photons (Elementarteilchen des elektromagnetischen Feldes) aus dem nichtleitenden Kristallverbund gelöst werden. Die dabei entstehende Bewegungsenergie bildet den erzeugten Strom.

Heutzutage besteht ein Solarmodul einerseits aus p-dotiertem Silizium und einer positiven Elektrode und anderseits aus n-dotiertem Silizium und einer negativen Elektrode, die an das Stromnetz angeschlossen sind.

Derzeit wird aber weltweit fieberhaft nach neuen Materialien geforscht, die das verwendete Silizium ersetzen sollen. Zwei Eigenschaften sind Voraussetzung für die Verwendbarkeit eines solchen Materials:

1. Der nutzbare Teil des Lichtspektrums soll möglichst groß sein.
2. Die sogenannte Rekombinationsrate, die angibt, wie schnell die Elektronen spontan wieder aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand zurückfallen, soll möglichst gering sein. Die heutigen Photovoltaik-Anlagen besitzen einen relativ geringen Wirkungsgrad, da die Rekombinationsrate in organischen Halbleitern noch vergleichsweise hoch ist.

Die Solarzelle

Solarzellen bilden den Kern einer Photovoltaikanlage und wandeln die Sonnenstrahlen in Solarstrom um.

Eine einzelne Zelle bewirkt dabei nur wenig. Werden mehrere Solarzellen in einer Reihe geschaltet, spricht man von einem Photovoltaik-Modul. Solarzellen basieren auf der optischen Anregung eines Halbleiters. Halbleiter besitzen keine frei beweglichen Elektronen, die den Strom transportieren könnten. Sie verhalten sich also zunächst wie Isolatoren, da alle Elektronen fest mit ihren Atomen verbunden sind.

Jeder Festkörper besitzt jedoch mittels Absorption von Strahlung die Fähigkeit, Elektronen von ihren Atomen zu lösen. Der einzige Unterschied zwischen einem Isolator und einem Halbleiter ist der, dass nur wenig Energie benötigt wird, um Elektronen in einen frei beweglichen Zustand zu versetzen. Bei dem heute verwendeten Silizium ist bereits ein Photon aus dem kurzwelligen Teil des optischen Spektrums ausreichend.

Dabei darf allerdings die Energie des Photons weder zu hoch, noch zu niedrig sein. Das grenzt den Energieintervall, in dem Photonen in Strom umgewandelt werden können, ein. Wird an den Halbleiter (das Silizium) nun eine äußere elektrische Spannung angelegt, fließt in dem Moment Strom, in dem ein Elektron in den leitenden Zustand übergeht, weil das entsprechende Photon mit adäquater Energie absorbiert wurde.

Die Unterschiede

Silizium-Kristalle unterscheiden sich durch den Grad der Verunreinigung. Hundertprozentig reine Kristalle gibt es nicht, alle enthalten eine zumindest geringe Menge an Fremdatomen. Das wichtigste Merkmal ist somit die Reinheit des verwendeten Siliziums.

Ein zweiter wichtiger Punkt ist, ob die Solarzelle aus einem großen Kristall oder aus vielen kleinen zusammengesetzten Kristallen besteht, denn auf den Grenzflächen der kleinen Kristalle entstehen Stromverluste. Deshalb weisen Silizium-Solarzellen mit sogenannten monokristallinen Solarzellen höhere Wirkungsgrade auf.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Silizium zu einer amorphen Masse zu schmelzen und diese als dünne Schicht auf die Solarzelle aufzudampfen. So entstehen sogenannte Dünnschicht-Module. Sie haben den niedrigsten Wirkungsgrad, sind aber aufgrund ihres geringen Materialbedarfs wesentlich preiswerter.

Für die Herstellung solcher Dünnschichtmodule können auch andere Halbleiter als Silizium verwendet werden.

Neue Entwicklungen revolutionieren den Markt. So werden statt kristalliner Halbleiter organische Halbleiter verwendet. „Organisch“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Moleküle Kohlenstoff enthalten. Auf diese Weise hergestellte organischen Kunststoffe dienen als Ausgangsmaterial für Solarzellen. Sie sind leicht zu verarbeiten, preisgünstig und in jeder beliebigen Form herstellbar, auch als Folien.

Derzeit ist der Wirkungsgrad noch zu gering und wird zukünftig durch weitere Materialforschung sicherlich erheblich verbessert werden. Die großflächige Verwendbarkeit erhöht den Wirkungsgrad jedoch. Solche Folien könnten einfach auf Flächen aufgeklebt werden.

Auch sogenannte Tandem-Solarzellen befinden sich noch in der Forschungs-Phase. Hierbei handelt es sich um Solarzellen, in denen zwei Halbleiter übereinandergeschichtet werden, die jedoch die unterschiedlichen Frequenzintervalle des Spektrums nutzen.

Ein Wort zum Wirkungsgrad

Wie wir bereits gelernt haben, weisen monokristalline Siliziumzellen mit ca. 19 % den höchsten Wirkungsgrad auf. Polykristallines Silizium hingegen erreicht ca. 15 % und Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium ca. 7 %. Bei den genannten Werten handelt es sich um Richtwerte unter Produktionsbedingungen.

Die Module

Die übrigen Bestandteile eines Moduls dienen dazu, den Halbleiter vor Beschädigungen zu schützen bzw. für die praktische Handhabung zu sorgen. Je eine Schicht ober- und unterhalb der Halbleiterschicht schützen vor Feuchtigkeit, wobei die obere Schicht eine gute Lichtdurchlässigkeit gewährleistet.

Hierzu wird Gießharz verwendet, aber auch spezielle Kunststofffolien kommen zum Einsatz. Nur wenig Licht absorbiert die obere Abdeckung der Solarzelle, die aus einem speziellen Solarglas besteht.

Um auch noch Reflektionen aus dem Lichteinfall zu minimieren, wird zusätzlich eine spezielle Antireflexschicht aufgebracht. Ein stabiler Rahmen hält die gesamte Konstruktion zusammen und macht eine Montage (auch mehrerer Module) möglich.

Der Wechselrichter

Der Wechselrichter hat die Aufgabe, den von den Photovoltaik-Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Die mitgelieferte Fernbedienung ermöglicht bei Bedarf die Trennung vom Stromnetz.

Es gibt allerdings Unterschiede bei den Wechselrichtern – sie können mit oder ohne Trafo ausgestattet sein. Trafolose Geräte erlauben einen höheren Wirkungsgrad und eignen sich besser bei der Zusammenschaltung vieler Solarmodule.

Ist ein Trafo vorhanden, wird die Spannung auf die nötige Netzspannung von 230 Volt transformiert. Verfügt der Wechselrichter allerdings über keinen Trafo, ist dies von Vorteil, denn die von den Modulen bereitgestellte Spannung muss immer oberhalb dieses Wertes liegen.

Überraschenderweise ist die Spannung bereits bei niedriger Lichteinstrahlung hoch genug, denn die Module weisen schon bei geringer Einstrahlung einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf. Nach dem Ohm’schen Gesetz ist die Spannung gleich dem Produkt aus Widerstand und Stromstärke. Nimmt nun diese Einstrahlung ab, sinkt zwar die Stromstärke, aber der Widerstand steigt.

An das Stromnetz angeschlossene Wechselrichter passen ihre Frequenz automatisch der Netzfrequenz an. Es gibt aber Lösungen für Photovoltaik-Anlagen, die nicht an das allgemeine Stromnetz angeschlossen sind. Dies gilt ebenso für unterschiedliche Lichtverhältnisse, die gegebenenfalls die Montage zweier Wechselrichter erforderlich machen.

Der Einspeisezähler

Um die Vergütung für den eingespeisten Strom zu ermitteln, ist der Einbau eines Einspeisezählers erforderlich, welcher geeicht sein muss. Zur Verfügung gestellt wird er vom jeweiligen Netzbetreiber.

Der Stromspeicher

Ohne Stromspeicher muss der aus einer Photovoltaik-Anlage kommende Strom in dem Moment verbraucht werden, in dem er erzeugt wird. Eine Hürde stellen noch immer die verschiedenen Lichtverhältnisse dar, die die Jahreszeiten mit sich bringen. Vor allem um die Mittagszeit ist an sonnigen Tagen oft ein Überangebot an Strom vorhanden, der zu Negativ-Preisen sogar ins Ausland verkauft wird.

Es gibt allerdings Ansätze für neue Technologien zur Stromspeicherung. Dies sind zunächst Pumpspeicherkraftwerke. Weiterhin wird an der Entwicklung von Batteriespeichern gearbeitet, die nach dem Akkuprinzip funktionieren.

Kleine Akkus stehen testweise bereits beim Verbraucher und speichern den selbst erzeugten Strom. Über größere Einheiten verfügen die regionalen Verteilernetze, die ganze Wohnanlagen oder Stadtteile damit versorgen. Die Lade- und Entladezeiten müssen hierbei sehr kurz gehalten werden, um Leistungsschwankungen vorzubeugen.

Weiterhin erforscht wird die Verwendbarkeit von Druckluftspeichern, in denen Luft mit überschüssigem Strom komprimiert wird. Auch Wasserstoffspeicher sind derzeit in der Testphase, in denen der Strom genutzt wird, um Wasserstoff in Ionen und Elektronen aufzuspalten.

Verkabelung und Anschluss

Zwei Punkte sind bei der Verkabelung zu beachten: 1. Sie muss den Sicherheitsanforderungen genügen und sollte 2. möglichst verlustarm sein, was durch kurze Kabelwege zu erreichen wäre. Es gilt allerdings, einige Besonderheiten zu beachten: Der Wechselrichter sollte beispielsweise im Keller installiert werden, da der Dachboden vor allem im Sommer aufgrund der hohen Temperaturen ungeeignet wäre.

Eine weitere Hürde stellt die Verkabelung der Module untereinander dar. Die Anordnung von zwei parallel angeordneten Modulsträngen, die eine U-förmige Struktur ergeben, sind ein typisches Beispiel.

Die kürzeste Verkabelung ergibt sich über eine direkte Verbindung des Stromkreises mit den beiden oberen Modulen.  Daraus entsteht allerdings eine große Induktionsschleife, die bei Blitzschlag zu starken Strömen führen könnte. Daher werden Hin- und Rückleitung parallel verlegt, da sie auf diese Weise eine geringe Fläche umschließen, denn die Stärke der induzierten Ströme ist direkt proportional zur vom Stromkreis umschlossenen Fläche.

Da bei manchen Anlagentypen zwischen der Plus- und der Minusleitung hohe Spannungsdifferenzen auftreten können, ist auch die Kabelverlegung zwischen Dach- und Kellergeschoss die Lösung mit geringstem Aufwand nicht unbedingt die praktikabelste. Hier kann es empfehlenswert sein, beide in getrennten Kabelkanälen zu verlegen.

Auch bei der Auswahl der Kabel gilt es einiges zu beachten, denn es können Leistungsverluste auftreten. Daher empfiehlt sich Kupfer vor Aluminium aufgrund des geringeren Widerstands. Hier ergeben sich große Preisunterschiede, die sich durch die unterschiedliche Leistungsfähigkeit relativieren können. Die im Freien verlegten Kabel benötigen eine Ummantelung, die sie vor Witterungseinflüssen schützen.

Selbstmontage

Verschiedene gesetzliche Vorschriften aus verschiedenen Bereichen sind bei der Selbstmontage einer Photovoltaik-Anlage zu beachten. Dies gilt sowohl für die Sicherheit der elektrischen Installation, d. h. die Verkabelung, als auch für die Brandschutzbestimmungen. Darüber hinaus gibt es europäische Normen, die die Verwendung bestimmter Schadstoffe oder Isolierungen verbieten. Eine Übersicht gibt es beim BDEW.

Wer kein Fachmann ist, sollte daher seine Photovoltaik-Anlage lieber von einem solchen vornehmen lassen, da er über entsprechendes Expertenwissen in allen Bereichen verfügt. Zu beachten gilt noch, dass bei einer Selbstmontage eine Abnahme durch einen zugelassenen Fachbetrieb erfolgen sollte.

Mit einem SEMS Smart Energy Management System lässt sich das Energiemanagement der Anlage optimal steuern. Auch hierzu kann der Fachbetrieb am besten einen Rat geben.

Fazit

Die weitere Entwicklung von Solarzellen ist derzeit unabsehbar. Bisher sind signifikante Steigerungen des Wirkungsgrades noch mit immensen Kosten verbunden. Wirtschaftlich sinnvoller scheinen dagegen die billigen organischen Halbleiter, die als Billigartikel in Massenproduktion hergestellt werden können.

Allerdings ist diese Art der Stromgewinnung sicherlich eine Investition in unsere Zukunft und in die Zukunft unserer Kinder und Enkel.