Zuletzt aktualisiert: 25. April 2024
Photovoltaik: Funktionsweise und interessante technische Fakten
Mit Photovoltaik wird aus Sonnenlicht elektrische Energie. In diesem Artikel erfahren Sie Spannendes zur Funktionsweise und Technik von Photovoltaik, zu verschiedenen Arten von Solarmodulen und zu den Zukunftsaussichten dieser nachhaltigen Art der Stromerzeugung.
Als Hauseigentümer Photovoltaik selbst nutzen
Lesedauer: 13 Minuten
Inhalt
- Grundsätzliches: Was ist Photovoltaik?
- Photovoltaik Funktionsprinzip
- Photovoltaik: Wie leistungsfähig ist sie?
- Welche Vorteile bietet Photovoltaik?
- Solarzellen und Solarmodule
- Monofaziale (Glas-Folie) und bifaziale Module (Glas-Glas) Photovoltaik
- Monokristalline und polykristalline Module sowie Wirkungsgrade
- Neue PV-Technologie: PERC und TOPCon
- Gehören Stapelzellen die Zukunft?
- Solarstromerzeugung: Solarparks und private Photovoltaik
- Kleines Balkonkraftwerk versus Photovoltaikanlage auf dem Dach
- Photovoltaik Kosten
- Zukunftsaussichten für die Photovoltaik und Fazit
1. Grundsätzliches: Was ist Photovoltaik?
Photovoltaik ist eine Technologie zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie – und relativ jung: Die erste funktionstüchtige Silizium-Solarzelle wurde 1954 vorgestellt. Der Begriff „Photovoltaik“ setzt sich aus den griechischen Wörtern „phos“ für Licht und „volt“ für die elektrische Einheit Volt zusammen. Photovoltaik wird häufig als eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energien betrachtet, da sie sauberen und umweltfreundlichen Strom erzeugt und dank unserer Sonne praktisch dauerhaft zur Verfügung steht. Das macht Photovoltaik auch zur kostengünstigsten Form der Energieerzeugung.
2. Photovoltaik Funktionsprinzip
Die Funktionsweise der Photovoltaik basiert auf dem sog. photovoltaischen Effekt. Dieser Effekt ermöglicht die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Grundlegende Komponente der Photovoltaik ist dabei die Solarzelle. Sie besteht für gewöhnlich aus einem Halbleitermaterial wie Silizium. Trifft Sonnenlicht (in Form von Photonen) auf die Solarzelle, wird ihre enthaltene Energie auf die Elektronen im Halbleiter übertragen, die sich dabei lösen. Im elektrischen Feld der Solarzelle bewegen sich die freigesetzten Elektronen und erzeugen schließlich elektrischen Strom. Nachdem dieser über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt worden ist, kann er nun genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben oder in Batterien gespeichert zu werden.
3. Photovoltaik: Wie leistungsfähig ist sie?
Die Leistung einer Photovoltaikanlage hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa von der Intensität und Dauer des einfallenden Sonnenlichts, vom Wirkungsgrad der Solarzellen oder von der Ausrichtung und Neigung der Module. Eine optimale Ausrichtung der Module in Richtung der Sonne sowie eine Neigung (Richtwert: 35 Grad), die der geografischen Breite des Standorts entspricht, kann die Energieausbeute maximieren. In Deutschland kann eine Photovoltaikanlage mit einem Kilowatt Peak (1 kWp) einen jährlichen Strombedarf von etwa 1.000 kWh erzeugen. Typische PV-Anlagen auf Einfamilienhäusern haben Leistungen zwischen 7 und 15 kWp.
4. Welche Vorteile bietet Photovoltaik?
Das Prinzip der Photovoltaik ermöglicht eine nachhaltige und umweltfreundliche Stromerzeugung. Denn Sonnenlicht ist unerschöpflich und damit eine erneuerbare Energiequelle. Im Gegensatz zu limitierten fossilen Energieträgern wie Kohle, Gas oder Öl entstehen bei der Nutzung der Photovoltaik keine schädlichen Emissionen oder Abfälle. Zudem hat sich die Technologie und damit die Effizienz in den letzten Jahren stetig verbessert, weshalb die Photovoltaik einen wichtigen Part für die Energiewende einnimmt.
5. Solarzellen und Solarmodule
Die Solarzelle ist der Grundbaustein einer Photovoltaikanlage. Allerdings kann eine einzelne Solarzelle nur relativ wenig Spannung erzeugen. Aus diesem Grund werden viele einzelne Solarzellen in einem Solarmodul zusammengeführt – und auch mehrere Solarmodule miteinander zu einer Photovoltaikanlage verbunden. Auf dem Dach des Eigenheims oder des Betriebs installiert, ist nun eine effiziente Nutzung des erzeugtern Stroms im Alltag möglich.
6. Monofaziale (Glas-Folie) und bifaziale (Glas-Glas) Photovoltaik
Monofaziale Module (auch bekannt als Glas-Folien-Module) sind die kostengünstigste und gängigste Art von Solarmodulen. Sie bestehen aus einer transparenten Glasplatte auf der Vorderseite, einer Rückseitenfolie aus Kunststoff sowie den dazwischen eingebetteten Solarzellen. Auf der Vorderseite des monofazialen Moduls wird das Sonnenlicht zu einem gewissen Teil „eingefangen“ und in Strom verwandelt. Bifaziale Module (Glas-Glas-Module) haben zusätzlich zur Vorderseite eine transparente Rückseite. Diese Beidseitigkeit ermöglicht eine höhere Energieausbeute, denn auch reflektierendes Licht kann zur Solarstromerzeugung genutzt werden. Zudem sind Glas-Glas-Module mit Blick auf Feuchtigkeit, mechanische Belastungen oder Temperaturschwankungen stabiler und langlebiger als monofaziale Module.
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7. Monokristalline Module, polykristalline Module und Wirkungsgrade
Bei der Herstellung von Solarmodulen werden hochreine Siliziumblöcke zusammengeschmolzen und in dünne Scheiben – genannt Wafer – geschnitten, die als Solarzellen dienen. Monokristalline Solarmodule bestehen aus monokristallinen Solarzellen, die aus einem einzigen Kristall hergestellt werden, was die Fertigung aufwendiger macht. Bei polykristallinen Modulen werden hingegen mehrere Kristalle verwendet. Da monokristalline Module eine gleichmäßigere Struktur haben und somit das Sonnenlicht effizienter einfangen können, zeichnen sie sich durch einen Wirkungsgrad von etwa 15 bis 22 % aus. Polykristalline Module sind meist etwas kostengünstiger, können allerdings nur mit einem Wirkungsgrad von ca. 13 bis 18 % aufwarten.
8. Neue PV-Technologie: PERC und TOPCon
Bei PERC und TOPCon handelt es sich sind um relativ junge Photovoltaik-Technologien:
PERC
Während in herkömmlichen Solarzellen die Siliziumschicht auf der Rückseite unmittelbar auf einer Aluminiumplatte aufgebracht ist, besitzen PERC-Module eine zusätzliche Reflektionsschicht. Sie wirft Licht, das bisher nicht von der Siliziumschicht absorbiert worden ist, erneut zu dieser zurück. Das erhöht den Wirkungsgrad.
TOPCon
TOPCon-Solarzellen sind eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme mit dem Ziel, den elektrischen Widerstand in den Zellen zu verringern. Dafür werden ultradünne Tunneloxide mit einer ebenfalls sehr dünnen Siliziumschicht kombiniert. Durch die Tunneloxide können die Ladungsträger widerstandsarm „hindurchschlüpfen“. Die Leistung der Zellen wird optimiert, der Wirkungsgrad kann auf rund 25 % gesteigert werden.
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9. Gehören Stapelzellen die (ferne) Zukunft?
Stapelzellen, auch als Mehrfachsolarzellen bezeichnet, sind ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaikanlagen. Bei Stapelzellen werden mehrere Schichten mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander gestapelt, um das Sonnenlicht in verschiedenen Wellenlängenbereichen besser nutzen zu können. Obwohl diese Technologie noch in der Entwicklung ist, hat sie das Potenzial, die Effizienz von Solarmodulen erheblich zu steigern. Es wird erwartet, dass in Zukunft Fortschritte in der Stapelzellentechnologie gemacht werden. Wann die ersten Stapelzellen-Module marktreif sind, ist allerdings noch ungewiss.
10. Solarstromerzeugung: Solarparks und private Photovoltaik
Photovoltaik kann sowohl in großem Maßstab in Form von Solarparks als auch auf privaten Wohngebäuden installiert werden. Solarparks sind große Flächen, auf denen Solarmodule in großer Anzahl installiert sind, um eine hohe Stromerzeugungskapazität zu erreichen. Private Photovoltaikanlagen hingegen dienen in erster Linie der Eigenstromversorgung. Der überschüssige Strom kann in einem Stromspeicher gespeichert oder gegen Auszahlung einer gesetzlich geregelten Einspeisevergütung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
11. Kleines Balkonkraftwerk versus Photovoltaikanlage auf dem Dach
Ein kleines Balkonkraftwerk ist eine kleine Photovoltaikanlage, die auf einem Balkon, einer Terrasse, dem Gartenschuppen oder einer Garage bzw. einem Carport installiert wird. Diese Art von Solaranlage ist in der Regel bedeutend kleiner und hat eine geringere Leistung als eine herkömmliche Photovoltaikanlage auf dem Dach. Deshalb eignet sich ein Balkonkraftwerk hauptsächlich zur Nutzung des erzeugten Stroms für den Eigenbedarf in Wohnungen oder kleineren Gebäuden, in denen eine relativ geringe Grundlast gedeckt werden soll. Größere Solaranlagen an Einfamilienhäusern werden hingegen fast ausschließlich auf dem Dach platziert.
12. Photovoltaik Kosten
Die Kosten für Photovoltaiktechnik sind in den letzten Jahren gesunken. Das macht Photovoltaik zu einer attraktiven Investitionsoption fürs eigene Dach, denn die geringeren Anschaffungskosten werden durch den deutlich verringerten Zukauf von Strom schneller amortisiert. Die „PV Gesamtkosten“ hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Größe der Anlage, die Art der Module, die Installationskosten und eventuelle zusätzliche Komponenten wie Wechselrichter und Montagesysteme. Wir bei Energiekonzepte Deutschland erstellen für Sie gern ein unverbindliches Angebot:
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13. Zukunftsaussichten für die Photovoltaik und Fazit
Die Zukunft der Photovoltaik ist vielversprechend, denn sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energien und der Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Auch die Technologie wird beständig weiterentwickelt, um die Effizienz von Solarmodulen zu steigern und die Kosten weiter zu senken. Neue Materialien und Herstellungsverfahren werden erforscht, um die Leistung von Solarzellen zu verbessern. Gleichzeitig wird erwartet, dass die Nachfrage nach sauberer Energie weiter steigt, was zu einer verstärkten Installation von Photovoltaikanlagen führen wird. Das Fazit: Photovoltaik boomt, heute und in Zukunft.
