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Photovoltaik Grundlagen




Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus den Wörtern Photo (übersetzt Licht) und Voltaik zusammen. Alessandro Volta war ein berühmter Vorreiter der Elektrotechnik. Der Begriff Voltaik ist von seinem Namen abgeleitet und steht in diesem Zusammenhang für Elektrizität. So bedeutet Photovoltaik im übertragenen Sinne also die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom.

Die Funktionsweise von Photovoltaik

Photovoltaik- oder auch Solarzellen sind aus verschiedenen Halbleitermaterialien zusammengesetzt. Wenn auf eine Photovoltaikzelle Licht fällt, werden die Halbleitermaterialien elektrisch leitfähig.

Die meisten in der Welt produzierten Photovoltaikzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium, ein in großen Mengen vorhandener Rohstoff der Erdrinde. Zur Herstellung einer Photovoltaikzelle werden die Halbleitermaterialien so in die Solarzelle eingebracht, dass ein Plus- und ein Minuspol erzeugt werden. Am Übergang zwischen dem Minus- und dem Pluspol entsteht ein inneres elektrisches Feld. Mit Hilfe eines Verbrauchers kann die entstehende elektrische Spannung abgeleitet und elektrischer Strom (Gleichstrom) produziert werden. Um große Mengen Solarstrom herstellen zu können, müssen mehrere Photovoltaikzellen aneinander gekoppelt werden. Diese nennt man dann Photovoltaikmodule.

Die Aufgabe eines Wechselrichters

Photovoltaikzellen produzieren Gleichstrom, der mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Wechselrichter stellen also das Bindeglied zwischen den Solarmodulen und dem öffentlichen Stromnetz dar.

Da der Einfall von Licht und die Sonnenscheindauer nicht an allen Tagen gleich sind, wird der Strom zumeist nicht direkt von den Solarmodulen vom Dach, sondern vom Netz bezogen. Das öffentliche Stromnetz dient auf diese Weise als Stromspeicher der Photovoltaikanlage. Daneben gibt es aber auch die Möglichkeit, den erzeugten Solarstrom direkt zu nutzen. Man spricht in diesem Fall von Photovoltaik-Inselanlagen. Diese eigenen sich besonders dann, wenn elektrischer Strom benötigt wird, der Anschluss an das öffentliche Stromnetz jedoch zu teuer und aufwendig ist.

In diesem Fall ist ein System zur Energiespeicherung notwendig. Hierfür werden zumeist Bleiakkumulatoren verwendet. Wenn im ganzen Jahr Strom vorhanden sein soll, empfiehlt es sich, einen zweiten Stromgenerator anzuschaffen, zum Beispiel ein Windrad oder einen Diesel- oder Biogasgenerator.

Der Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen

Man unterscheidet zwischen den drei verschiedenen Photovoltaikzelltypen: monokristalline, polykristalline und amorphe oder Dünnschichtzellen. Monokristalline Photovoltaikzellen sind in der Herstellung am teuersten und Dünnschichtzellen am preiswertesten. Dies hat vor allem mit der Beschaffenheit des Siliziums zu tun, das für die Herstellung der Photovoltaikzellen verwendet wird. Das einfallende Licht auf Photovoltaikmodule kann nur zu einem geringen Teil in elektrischen Strom umgewandelt werden. Dies nennt man auch den Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen.

Monokristalline Photovoltaikzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 12 Prozent. Der Wirkungsgrad von polykristallinen Zellen liegt bei 10 Prozent. Dünnschichtzellen haben einen Wirkungsgrad, der bisher weit unter dem von monokristallinen und polykristallinen Zellen liegt. Darum werden Dünnschichtzellen vor allem verwendet, um eher kleine Gebrauchsgegenstände, wie Uhren und Taschenrechner, mit Strom zu versorgen. Die für Photovoltaikzellen verwendeten Halbleitermaterialien können das einfallende Sonnenlicht nicht vollständig nutzen.

Das bedeutet, dass ein Teil der Strahlungsenergie immer verloren geht. Darüber hinaus wird das einfallende Sonnenlicht teilweise nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Zusätzlich spielen unter anderem die Oberflächenbeschaffenheit der Photovoltaikmodule oder Materialverunreinigungen eine Rolle beim Verlust von Sonnenenergie. Aus all diesen Gründen liegt der maximale Wirkungsgrad von kristallinem Silizium bei etwa 28 Prozent. Neben der Verbesserung des Produktionsprozesses ist es vor allem wichtig, den Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen zu erhöhen, um Photovoltaikprodukte preiswerter gestalten zu können.


       

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