Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage wird verwendet, um aus dem Licht der Sonne elektrische Energie zu erzeugen. Der Name kommt dabei von dem griechischen Wort φῶς/phos für Licht und Volt, der Einheit für Elektrische Spannung. Neben der Photovoltaikanlage gibt es noch andere Formen von Solaranlagen wie beispielsweise thermische Solaranlagen zur Erzeugung von Warmwasser auf die wir hier aber nicht eingehen werden.

Während die Entdeckung der Wechselwirkung von Photonen (Lichtteilchen) und Elektronen schon im 19. Jahrhundert stattfand, kam es erst viele Jahre später zu einer praktischen Anwendung, da die Technologie damals sehr teuer und noch wenig bekannt war. So war die Raumfahrt in der Anfangsphase stark an der Entwicklung von Solarzellen beteiligt. Dank massiver technologischer Weiterentwicklung, einhergehend mit Preissenkungen, wurden Photovoltaikanlagen später auch für Privatanwender immer attraktiver und bieten heute ein gute Alternative zu anderen Stromerzeugungsoptionen. Wie diese Photovoltaikanlagen technisch funktionieren, zeigen wir Ihnen in diesem Blogbeitrag.

Wussten Sie: Der erste Satellit mit photovoltaischen Zellen wurde 1958 gestartet, wodurch er viel länger Betrieben werden konnte als mit den bis dahin üblichen chemischen Batterien. Nur dadurch konnte aufgezeigt werden, dass die Erde nicht ganz rund ist.

Doch wie funktioniert eine Solarzelle eigentlich? Die meistverwendete Solarzelle, die Silizium-Solarzelle besteht aus drei Schichten. Die obere Schicht ist negativ geladen (n-dotiert) und hat viele freie Elektronen. Die untere Schicht hingegen ist positiv geladen (p-dotiert) und hat Löcher die es gerne mit Elektronen füllen möchte. Dazwischen gibt es eine neutrale Schicht, in der sich wegen der unterschiedlichen Ladung der oberen und unteren Schicht ein elektromagnetisches Feld aufbaut.

Trifft nun ein Photon, also ein Lichtteilchen, mit genügend Energie auf dieses "Sandwich", dann löst es ein Elektron aus seiner Bindung und hebt es ins Leitungsband (untere Schicht) an. An der oberen und unteren Schicht können nun Kontakte angebracht werden. Es baut sich eine Spannung auf. An die Kontakte kann nun ein Verbraucher wie eine Lampe angehängt werden, welche zu leuchten beginnt.

Dieses Grundprinzip, der sogenannten Halbleiter, ist fundamental und wird in vielen Bereichen der Elektronik angwendet. Ähnlich wie unsere Photovoltaikzelle, funktioniert auch der Bildsensor in der Digitalkamera oder im Smartphone - auch wenn das Ziel nicht die Stromerzeugung, sondern die Messung des einfallenden Lichtes ist, um daraus ein Bild zu erhalten.

Wussten Sie: Für den Photoelektrischen Effekt, der die Wechselwirkung von Photonen und Elektronen nachwies, bekam Albert Einstein einen Nobelpreis. (Und nicht, wie vielmals fälschlicherweise angenommen, für die Relativitätstheorie)

Allerdings gibt ein Problem: Dieser gerade beschriebene Effekt funktioniert nur, wenn die Energie bzw. Wellenlänge der Photonen mit den Materialeigenschaften von unserem Solarpanel übereinstimmt. Ein glücklicher Zufall der Natur ist, dass die spektrale Empfindlichkeit von Silizium sehr gut mit dem Spektrum der Sonne übereinstimmt und wir somit sehr effiziente Solarpanele bauen können. Ein weiterer Vorteil von Silizium ist, dass es nahezu unbegrenzt verfügbar und somit sehr günstig ist.

Wie auf dem obigen Bild zu erkennen, ist Silizium jedoch Grau/Silbrig und glänzend - dadurch wird ein Teil des Sonnenlichtes (etwa 30%) reflektiert, welches dann naürlich nicht zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Um die Effizienz zu steigern, gibt es deshalb verschiedene optische Tricks, welche angewendet werden können. Beispielsweise werden Solarpanele mit einer Antireflexionsschicht überzogen. Diese Schicht ist für die typische blaue Farbe von Solarpaneelen verantwortlich, je nach Materialmix kann die Farbe aber leicht variieren - z.B. gegen Violett oder sogar grünlich.

Bei neueren Solarmodulen wird häufig auch die Oberfläche der Beschichtung mit einem Laser pyramidenförmig aufgerauht, was die Effizienz weiter steigert. Deshalb sind neuere Solarpanele auch oftmals auch dunkelgrau.

Zudem gibt es viele weitere Eigenschaften von Solarzellen, welchen den Rahmen von diesem Blogbeitrag sprengen würden. So sind diese bei kühleren Temperaturen effizienter, was sich in Berggebieten positiv bemerkbar macht.

Der Strom, welcher aus der Solarzelle kommt, ist Gleichstrom und die Spannung stark abhängig von der Sonnenstrahlung, Bewölkung etc. - unsere Geräte zuhause brauchen aber 230 V Wechselstrom, um zu funktionieren. Deshalb brauchen wir einen Wechselrichter der unseren Strom umwandelt. Üblicherweise sind Häuser mit Photovoltaikanlagen immer noch am Stromnetz angeschlossen und können so überschüssigen Strom verkaufen, beziehungsweise Strom beziehen, falls die Sonne nicht scheint. Um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen kann man sich beispielsweise zu einem Zusammenschlus für Eigenverbrauch (kurz ZEV) zusammenschliessen um den Strom selber zu Benutzen, da man für den rückvergüteten Strom nur wenig Geld bekommt. Auch gibt es die Möglichkeit, mit dem überschüssigen Strom sein Elektroauto zu laden, eine Wärmepumpe zu betreiben oder sogar Solarbatterien zu laden, um die Autarkie zu erhöhen.