Wie funktioniert Photovoltaik?

Wie funktioniert Photovoltaik?
Die Photovoltaikanlage auf dem Dach zählt bei vielen Neubauten bereits zur Selbstverständlichkeit, aber auch bei Renovierungen ist sie eines der beliebtesten Themen. Die Vorteile – auch in Anbetracht steigender Energiekosten, zunehmendem Umweltbewusstsein durch Klimawandelproblematik sowie der vermehrte Einsatz innovativer Technologien wie Wärmepumpen und Smart Home Technologien die zwar selbst Energie verbrauchen aber insgesamt den Energieverbrauch senken sprechen alle für die Installation einer Photovoltaikanlage.
Moderne Speichersysteme für den produzierten Strom ergänzen zudem den Einsatz der Photovoltaik Anlage, aber wie arbeitet eine solche Anlage?

Einspeisevergütung und Fördermittel für die Photovoltaik
Sowohl für die Neuinstallation wie auch für die Nachrüstung eines Gebäudes mit Photovoltaik stehen mitunter verschiedene Fördermittel zu Auswahl. Dies gilt ebenfalls für die Installation von Batteriespeichersystemen. Nur diese Systeme erlauben es dem Betreiber einer Photovoltaikanlage, die mittels Photovoltaik produzierte und nicht verbrauchte elektrische oder eingespeiste Energie, für seinen eigenen späteren Verbrauch zu speichern. Wenn die Energie nicht gespeichert, sondern eingespeist wird erhalten Anlagenbesitzer Einspeisevergütung für das Einspeisen des nicht verbrauchten Stroms in das öffentliche Energienetz zu einem Festpreis.

So verwandelt die Photovoltaik Sonnenenergie in Strom

Die primitivste Funktionsweise einer Solaranlage ist die Solarthermie, die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme, Treibhäuser arbeiten nach diesem Prinzip.
Komplizierter ist die Photovoltaik, die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Für diesen Zweck besitzen die Solarzellen Halbleitermaterialien, die bei der Zufuhr von Wärme und Licht eine elektrische Leitfähigkeit entwickeln und den Photovoltaikprozess ermöglichen. Das bevorzugte Halbleitermaterial hierfür ist Silizium. Als zweithäufigstes Element der Erde ist es in ausreichenden Mengen vorhanden, lässt sich umweltverträglich gewinnen und verarbeiten – zum Beispiel eben zu Solarzellen für Photovoltaikanlagen.
Eine Solarzelle für Photovoltaik besteht aus zwei Schichten mit unterschiedlichem Halbleitermaterial. Der Übergang wird als Grenzschicht bezeichnet. Hier baut sich bei Lichteinfall ein elektrisches Feld auf, das über integrierte Metallkontakte als elektrische Spannung abgeführt wird. Ein angeschlossener elektrischer Verbraucher schließt den äußeren Kreis zwischen den Metallkontakten ober- und unterhalb der Halbleiterschichten und es fließt Gleichstrom, den ein nachgeschalteter Wechselrichter in Wechselstrom umwandelt. So kann die aus der Photovoltaikanlage gewonnene Energie weiterverarbeitet werden.


Von der einzelnen Solarzelle zum Solarmodul

Der Prozess der Photovoltaik in einer einzelnen Solarzelle würde einen viel zu geringen Effekt aufweisen. Denn bei Silizium beträgt die durch die Metallkontakte abgreifbare Spannung ungefähr 0,5V. Dies bedeutet, dass eine Solarzelle mit einer Fläche von 10x10cm eine maximale Leistung von 2 Ampere erzielt. Das reicht, um beispielsweise ein Smartphone zu laden, oder eine kleine Leuchteinheit zu betreiben, aber nicht viel mehr. Die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage wird erhöht indem einzelne Zellen zu größeren Einheiten verschaltet werden.
Die Verschaltung erfolgt, abhängig vom späteren Einsatzbereich, entweder parallel oder in Serie. Serienschaltungen produzieren höhere Spannungen, während Parallelschaltungen höhere Stromstärken erzeugen.
Nach der Verschaltung der Solarzellen entsteht das Solarmodul für die Photovoltaik, indem die Zellen in bevorzugt transparentes Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet und mit einem Metallrahmen umfasst werden. Vor äußeren Einflüssen wie Regen schützt das Solarmodul eine Glasabdeckung.
Nennleistung von Solarzellen in der Photovoltaik
Die Nennleistung einer Photovoltaik Solarzelle wird der Einfachheit halber mit Watt Peak angegeben, Die Einheit dient dazu, unterschiedliche Solarzellen und Solarmodule unter genormten Testbedingungen vergleichen zu können.. Folgende Parameter liegen diesen Messungen zugrunde:
• Temperatur 25C°
• Bestrahlungsstärke 1000W/m²
• Sonnenlichtspektrum gemäß AM von 1,5 (stark vereinfacht ist das der Einfallswinkel des Lichts).

Weichen die eigenen Standortbedingungen von den Standardparametern ab, produziert ein Solarmodul mehr oder weniger elektrische Energie. Sonnige Tage mit späten Sonnenuntergängen wirken sich logischerweise auf den Prozess der Photovoltaik positiv aus und erhöht die Leistung, im Winter geschieht das Gegenteil.
Die wichtigsten Leistungsfaktoren einer Solaranlage für Photovoltaik
Die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlag hängt also von vielen Faktoren ab und kann nur unter Berücksichtigung des Standorts und der dort vorliegenden Bedingungen ungefähr berechnet werden.
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Leistung der Photovoltaik Anlage sind also wie folgt:


• Solarstrahlung
• Umgebungstemperatur
• Verschaltung der Solarzellen in Parallel- oder Serienschaltung
• Ausrichtung der PV Module
• Dachneigung
• Art des Photovoltaik Moduls
• Degradation (Leistungsminderung durch Alterung)

Die Degradation der üblicherweise für Gebäudeanlagen verwendeten kristallinen Photovoltaik Module ist sehr gering und liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5 Prozent, eine kaum wahrnehmbare Leistungsminderung. Die durchschnittliche Amortisationszeit einer Solaranlage liegt bei 10 Jahren, die Lebenszeit der Solarmodule hingegen kann bis zu 30 Jahre betragen, die Degradation wirkt sich also kaum auf die Rentabilität einer Photovoltaikanlage aus.
Photovoltaik-Modultypen und ihre Eigenschaften
Zum aktuellen Zeitpunkt stehen für die Photovoltaik drei verschiedene Modultypen zur Auswahl. Der technische Fortschritt verlief in den letzten beiden Jahrzehnten, in denen die Photovoltaik den Schritt von der Nischen- zur Massentechnologie gemacht hat, eher evolutionär als revolutionär.
Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Photovoltaik Module wurden kontinuierlich in kleinen Schritten verbessert, weswegen heutige Solarmodule ohne jeden Zweifel eine deutlich bessere Qualität aufweisen als ihre Vorgängermodelle. Je nach verwendetem Material spricht man von polykristallinen-, monokristallinen- oder Dünnschichtmodulen.

Kristalline Solarmodule unterscheiden sich in monokristalline Photovoltaik Module und polykristalline Photovoltaik Module. Polykristalline Photovoltaik-Module werden, im Gegensatz zu monokristallinen Zellen, nicht in einem Stück gefertigt. Daraus ergibt sich ein weniger homogenes Kristallgitter mit geringen Ladungsträgerverlusten. Diese Verluste kompensiert der spezielle Modulaufbau polykristalliner Solarzellen. Dadurch ergeben sich kaum relevante Leistungsunterschiede zwischen polykristallinen und den wesentlich teureren monokristallinen Solarmodulen für die Photovoltaik.
Dünnschichtmodule mit amorphem Silizium sind sehr preisgünstig. Allerdings zeigen sie auch die größten Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrads, der ungefähr nur halb so groß ist wie jener der kristallinen Module. Zugleich sind Photovoltaik-Dünnschichtmodule anfälliger gegen Witterungseinflüsse. Dies gilt auch für die Lebensdauer einer aus Dünnschichtmodulen bestehenden Photovoltaikanlage, die signifikant unter der von kristallinen Photovoltaik-Modulen liegt.


Für die Dachanlage auf dem eigenen Haus kommen aufgrund der begrenzten zur Verfügung stehenden Fläche normalerweise nur kristalline Photovoltaik Module in Betracht.
Produktivität der einzelnen Photovoltaik-Modultypen
Ein wichtiges Merkmal ist der Wirkungsgrad der einzelnen Module für die Photovoltaik, wobei zwischen dem im Labor ermittelten und dem tatsächlichen (produktiven) Wirkungsgrad gravierende Unterschiede bestehen Der produktive Wirkungsgrad beträgt je nach Modultyp:


Monokristalline Module – 14 -18 %
Polykristalline Module – 12 – 16 %
Dünnschichtmodule – 6 – 10 %

Im Gegensatz zum sehr geringen Wirkungsgradverlust von kristallinen Solarmodulen verlieren Dünnschichtmodule mit amorphen Siliziumzellen in der ersten Betriebsphase durch den sogenannten Staebler-Wronski-Effekt 10-37% % ihrer Leistungsfähigkeit. Der Effekt findet während des Light Soakings, also innerhalb der ersten 10.000 Betriebsstunden statt. Anschließend wird ein quasistabiler Wirkungsgrad erreicht Spezielle Wärmebehandlungen sind in der Lage, den Prozess zum Teil rückgängig zu machen.
Die kontinuierlich fortschreitende technologische Entwicklung trägt maßgeblich zur Steigerung des Wirkungsgrads der Photovoltaik Module bei. Auf diese Weise wird die Photovoltaik immer mehr zur effektiven und rentablen Solaranlage für die Gewinnung elektrischer Energie.