Photovoltaik: Wie funktioniert sie? Was kann sie?

Geht es darum, die Kraft der Sonne zur Energiegewinnung zu nützen, herrscht oftmals heilloses Durcheinander an Begriffen. Was genau ist eine Solaranlage? Worin liegt der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie? Was ist ein Solarpanel? Und wie funktioniert das alles überhaupt? In diesem Beitrag finden Sie Antworten auf alle diese, und noch viel mehr Fragen.

> Wie funktionert eine Photovoltaikanlage?
> Wie wird aus Sonnenlicht Strom?
> Was passiert in der Solarzelle?
> Welche Arten von Solarzellen gibt es?
> Welche Begriffe gibt bei Sonnenergie und Photovoltaik und was bedeuten sie?
> Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie?
> Kann Photovoltaik den Eigenbedarf komplett decken?

So funktioniert eine Photovoltaikanlage

Bis die Sonne eines Tages ihren Dienst quittiert, dauert es noch einige Milliarden Jährchen. In der Zwischenzeit versorgt sie die Erde kontinuierlich mit kostenloser Energie. Diese Quelle nicht anzuzapfen wäre grob fahrlässig. Hier kommt die Photovoltaikanlage ins Spiel. Das Funktionsprinzip ist dabei im Grunde recht simpel. Die Solarzellen verwandeln Sonnenlicht in Strom.

Photovoltaik: Aus Sonnenlicht wird Strom

Eine Photovoltaikanlage produziert also Strom. Gleichstrom, um genau zu sein. Damit können Elektrogeräte allerdings recht wenig anfangen. Deshalb muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der sogenannte Wechselrichter. Der Strom ist nun so aufbereitet, dass er entweder direkt dem Eigenverbrauch zugeführt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.
Findet der Strom den Weg ins öffentliche Netz, ermittelt bei normalen „Hausanlagen“ ein Zweirichtungszähler die Menge an eingespeistem und bezogenem Strom. Bei größeren Anlagen mit einer Leistung von über 10 kWp (Kilowattpeak) wird dieser Vorgang auf zwei Geräte aufgeteilt. Der sogenannte Einspeisezähler ermittelt die exakte Menge an Strom, die dem öffentlichen Netz zugeführt wird. Die Betreiber der Photovoltaikanlage erhalten dafür vom Staat eine sogenannte Einspeisevergütung. Der ebenfalls vorhandene Bezugszähler misst hingegen die Menge an Strom, die aus dem öffentlichen Netz bezogen wird.
Die Mischung aus selbstproduziertem und bezogenem Strom wird abschließend an die elektrischen Geräte bzw. Verbraucher im Haushalt weitergeleitet.

Wie versprochen: Das Funktionsprinzip einer Photovoltaikanlage ist nicht sonderlich kompliziert. Der Vorgang, der aus Sonnenlicht Strom entstehen lässt, ist da schon eine andere Hausnummer. Das Team von Klimaworld bringt Licht ins Dunkel.

Photovoltaik: Was passiert in der Solarzelle?

Die einzelne Solarzelle besteht aus mehreren Halbleiterschichten, die unterschiedliche aufgebaut sind. In den meisten Fällen wird hochreines Silizium gezielt mit anderen chemischen Elementen dotiert bzw. versetzt. Üblicherweise wird dafür Bor oder Phosphor verwendet. Die Dotierung sorgt dafür, dass sich die negativen Ladungsträger in einer Schicht und die positiven Ladungsträger in einer anderen Schicht sammeln. Es entstehen ein Plus- und ein Minuspol.
An den Berührungspunkten der beiden Schichten wird eine dritte Schicht gebildet, und zwar eine Grenzschicht. In diese wandern, angeregt von der Sonneneinstrahlung, Elektronen ein, um den bestehenden Mangel auszugleichen. Die Bewegungsenergie dieser Elektronen erzeugt Gleichstrom.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Die zentralen Elemente von Solarzellen sind die Halbleiterschichten. Diese bestehen in der Regel aus Silizium. Das existiert in Solarzellen in mehreren Varianten:

• Kristalline Zellen
• Monokristallines Silizium
• Polykristallines Silizium
• Amorphes Silizium
• Dünnschichtzellen
• Nanostrukturierte Zellen

Dazu kommen mit Cadmium-Tellurid und Kupfer-Indium-(Gallium-)Diselenid zwei weitere Halbleitermaterialien, die wie amorphes Silizium für die Herstellung von Dünnschichtzellen verwendet werden.

Kristalline Zellen: Hergestellt aus Siliziumscheiben („Wafer“), die lediglich weniger Zehntelmillimeter dünn sind. Je nach verwendetem Silizium wird zwischen zwei Varianten unterschieden: Mono- und polykristalline Solarzellen.

• Monokristalline Solarzellen: Leistungsstärker aber teurer als die polykristalline Variante. Bestehen aus reinem, kristallinem Silizium.
• Polykristalline Solarzellen: Weniger rein und deshalb weniger leistungsstark als monokristalline Zellen. Allerdings günstiger in der Anschaffung und deshalb die am weitesten verbreitete Solarzellenvariante, wenngleich aktuell in den klassischen Dach-Photovoltaikanlagen heute fast ausschließlich monokristalline Module verbaut werden. Gleichmäßig glatte Oberfläche und abgerundete Ecken.

Dünnschichtzellen: Im Gegensatz zu den kristallinen Zellen (auch Dickschicht-Zellen genannt), werden die Photovoltaik-Module nicht aus einem größeren Block gesägt. Die Zellen werden vielmehr, inklusive der notwendigen Verschaltung, auf ein bruchfestes Trägermaterial aufgedampft. Die lichtempfindliche Schicht ist lediglich zwischen 1 und 5 Mikrometer dick.

Amorphes Silizium: Keine geordnete Struktur. Ungeordnete Silizium-Atome werden auf (flexible) Oberflächen aufgedampft, wird verwendet für die Herstellung von Dünnschichtzellen. Bekannt aus z.B. Taschenrechnern. Weniger leistungsfähig als kristalline Zellen.

Cadmium-Tellurid (CdTe): Eignet sich ebenfalls zur Herstellung von Dünnschichtzellen. Das Rohmaterial ist wesentlich teurer als Silizium. Allerdings ist es leistungsfähiger als Silizium, die benötigte Menge liegt somit deutlich unter der Siliziumvariante, was die Herstellung wiederum preiswert macht.

Kupfer-Indium-(Gallium)-Dislendid (CIGS): Die aus diesem Mischkristall hergestellten Solarzellen weisen einen Absorber mit direkter Bandlücke auf. Das Material absorbiert das Sonnenlicht deshalb deutlich effizienter als Silizium-Zellen.

Nanostrukturierte Zellen: Ultradünne CIGS-Zellen hatten lange Zeit den Ruf, in der Herstellung kostengünstig zu sein, diesen Vorteil allerdings mit geringerer Effizienz zu bezahlen. Jüngste Forschungserfolge haben die Lichtabsorption dieser Zellenart nun aber deutlich verbessert. Und zwar durch Nanostrukturen. Die verlängern jene Strecke, welche das Licht auf seinem Weg durch die Zelle nehmen muss.
Sie haben vielleicht bemerkt: Es wird komplizierter. Und wer sich noch näher mit der Thematik Photovoltaik auseinandersetzt, der wird schnell feststellen, dass da noch eine ganze Menge an Fachbegriffen herumschwirrt. Diese werden häufig synonym verwendet, obwohl sie eigentlich völlig andere Dinge beschreiben.
Klimaworld hat deshalb für Sie ein kleines Photovoltaik- und Sonnenenergie-Wörterbuch zusammengestellt, in dem die wichtigsten Begriffe erklärt werden.

Photovoltaik und Sonnenenergie: Das Wörterbuch

In diesem Abschnitt finden Sie die wichtigsten Fachbegriffe zum Thema Sonnenenergie und Photovoltaik sowie deren Erklärungen.
Bezugszähler: Erfasst jene Energiemenge, die aus dem öffentlichen Netz bezogen wird.

Einspeisevergütung: Staatlich festgelegter Betrag, mit dem privaten Stromerzeugern die Einspeisung des selbsterzeugten Stromes ins öffentliche Netz abgegolten wird. Ziel ist die Förderung bestimmter und vor allem nachhaltiger Arten der Stromerzeugung (Solarstrom, Windkraftenergie, Wasserkraftenergie etc.).

Einspeisezähler: Erfasst jene Energiemenge, die von der eigenen (Photovoltaik)Anlage erzeugt und in das öffentliche Netz eingespeist wird.

Gleichstrom: Die Bewegungsrichtung der elektrischen Ladungsträger (Elektronen, Protonen, Ionen) bleibt konstant, die Augenblickswerte der Stromstärke ändern sich zeitlich nicht.

On-Grid-Anlage: Der von dieser Anlage erzeugte Solarstrom wird in das öffentliche Stromnetz gespeist.

Off-Grid-Anlage: Andere Bezeichnung für Inselanlage. Nicht an das Stromnetz angeschlossen, wird mit Speichern betrieben.

Photothermie: Der Begriff setzt sich aus Photovoltaik und Solarthermie zusammen. Die hybriden Solarkollektoren erzeugen Strom und gleichzeitig Warmwasser.

Photovoltaik: Die Umwandlung von Lichtenergie (im Regelfall Sonnenenergie) in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen. Abgekürzt PV.

Solaranlage: Technische Anlage, die Sonnenenergie in eine andere Energie umwandelt.

Solarenergie: Jene Energie der Sonnenstrahlung, die technisch genutzt werden kann. Mögliche Nutzungsarten sind Wärme, elektrischer Strom oder chemische Energie.

Solarkraftwerk: Technische Anlage, die Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt (z.B. Motor, Generator, Turbine). Beispiele für Solarkraftwerke: Photovoltaik-Freiflächenanlage oder (siehe auch) Sonnenwärmekraftwerk.

Solarmodul: Besteht aus mehreren Solarzellen. Ist in starrer oder flexibler Ausführung erhältlich. Starre Module setzen sich aus den Solarzellen, einem Trägerrahmen aus Aluminium und einer schützenden Glasplatte zusammen. Flexible Solarmodule bestehen hingegen aus organischen Werkstoffen. Wird auch Solarpanel genannt.

Solarpanel: Siehe Solarmodul.

Solarthermie: Umwandlung von Sonnenenergie in thermische Energie – umgangssprachlich Wärme.

Solarzelle: Technisch korrekt eigentlich photovoltaische Zelle. In ihr passiert die Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom.

Sonnenwärmekraftwerk: Anlage, in der ein per Sonnenenergie aufgeheiztes Medium einen Generator antreibt und somit Strom erzeugt.

Wechselrichter: Verwandelt Gleichstrom in Wechselstrom. Auch als Inverter oder Drehrichter bekannt.

Wechselstrom: Die Bewegungsrichtung der elektrischen Ladungsträger (Elektronen, Protonen, Ionen) ändert sich periodisch.

Zweirichtungszähler: Kombiniert die Funktionen von Einspeise- und Bezugszähler in sich. Misst also sowohl die Menge an Strom, welche ins öffentliche Netz eingespeist wird, also auch den Bezug aus dem öffentlichen Netz.

Photovoltaik vs. Solarthermie: Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Wird im Alltag das Wort „Solaranlage“ verwendet, herrscht dabei in der Regel eine gewisse Ungenauigkeit vor. Denn je nachdem, was am Ende der Verwandlung der Sonnenergie in andere Energie herauskommt, wird zwischen Solarthermie und Photovoltaik unterschieden.

Das Erzeugnis: Sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermieanlagen wandeln Sonnenenergie in eine andere Energieform um. Während die Solarthermie allerdings rein auf Wärme beschränkt ist, erzeugt die Photovoltaikanlage Strom. Und der kann wiederum für eine Vielzahl an möglichen Vorgängen verwendet werden. Also ja, auch für die Warmwassererzeugung und somit schlussendlich auch für die Heizung. Photovoltaik ist hinsichtlich der Einsatzgebiete allerdings viel breiter aufgestellt als die Solarthermie.

Die Quelle: Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei Photovoltaik und Solarthermie, wie mittlerweile bekannt, ident. Sonnenenergie wird in andere Energieformen umgewandelt. Die Menge an benötigtem Sonnenlicht ist allerdings unterschiedlich. Photovoltaikanlagen produzieren auch dann Strom, wenn sie nicht direkt bestrahlt werden. Normales Tageslicht genügt also. Solarthermie hingegen benötigt eine direkte Sonneneinstrahlung, damit eine Reaktion in Gang gesetzt wird.

Die Verfügbarkeit: Hinsichtlich der Verfügbarkeit der erzeugten Energie unterscheiden sich Photovoltaik und Solarthermie grundlegend. Wird gerade kein Strom verbraucht, produziert die Photovoltaikanlage auch nicht, weil der Stromkreis nicht geschlossen ist. Ganz egal, wie stark oder lang die Sonne auf die Solarpaneele scheint. Wird allerdings ein Verbraucher ans Netz gebracht (also ein Elektrogerät eingeschaltet), fließt sofort Strom, da der Stromkreis geschlossen ist. Zumindest trifft das auf die Off-Grid- bzw. Inselanlagen zu. Im Fall von On-Grid-Anlagen, die ans öffentliche Netz gekoppelt sind, ist der Stromkreis quasi geschlossen, der erzeugte aber nicht benötigte Strom wird ins Netz eingespeist.

Im Gegensatz dazu produziert eine Solarthermieanlage permanent Wärme. Auch dann, wenn gar keine benötigt wird. Überschüssige Wärme findet in einem Solarthermie-System allerdings keine Verwendung. Wenn der Warmwasserboiler voll ist, ist er voll. Wird er über Nacht entleert, bleibt er leer, da die Solarthermieanlage (wie die Photovoltaikanlage auch) in der Nacht natürlich nicht arbeitet.

Kann Photovoltaik den Eigenbedarf komplett decken?

Kurze Antwort: Jein. Lange Antwort: Solarstrom wird logischerweise nur dann erzeugt, wenn es hell ist. Wir benötigen aber auch Strom, wenn es draußen dunkel ist bzw. ist zu diesen Tages- und Jahreszeiten der Strombedarf besonders hoch (Beleuchtung, Heizung etc.). Eine Möglichkeit, den Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom zu optimieren, sind Energiemanagementsysteme. Stromverbraucher werden genau dann zugeschaltet, wenn besonders viel Strom produziert wird. Irgendwann stößt aber auch dieses System an seine Grenzen. Die zunehmende smarte Vernetzung von Haushaltsgeräten verbessert die Ergebnisse des Energiemanagements allerdings laufend.

Eine Möglichkeit gibt es allerdings schon, den Eigenbedarf komplett mit selbstproduziertem Solarstrom zu decken: Stromspeicherung in Akkus. Das ist aber eine relativ kostspielige Angelegenheit, in Sachen Effizienz und Lebensdauer gibt es noch großen Verbesserungsbedarf.

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