Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage funktioniert im Prinzip ganz einfach: Licht fällt auf die Solarzellen, die daraus Gleichstrom machen. Die Solarzellen sind zu Solarmodulen verschaltet, die Solarmodule zum Solargenerator. Der Gleichstrom wird im Wechselrichter zu Wechselstrom umgewandelt und direkt ins Stromnetz eingespeist.
Die Solarzelle
95 % aller Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Silizium ist nichts anderes als Quarzsand, eines der häufigsten Elemente der Erde, ähnlich unerschöpflich wie die Sonne. Damit aus Sand eine Siliziumscheibe wird und aus dieser Strom fließen kann, muss das Silizium hoch gereinigt und kristallisiert werden.
Damit diese genutzt werden können, wird die Zelle auf der Vorder- und der Rückseite mit unterschiedlichen Fremdatomen, z. B. Bor und Phosphor, gezielt verunreinigt. Dadurch wandern die Elektronen alle auf eine Seite und die positiven Ladungsträger auf die andere.
Es entsteht ein Plus- und ein Minuspol wie in einer Batterie. Wird ein Verbrauchsgerät angeschlossen, fließt Strom. Selbst geringe Lichtstärken, wie sie bei bewölktem Himmel auftreten, werden in der Solarzelle in Strom umgesetzt. Die Stromstärke ist allerdings proportional zur Lichtstärke – je mehr Sonnenschein, desto mehr Solarstrom.
Die Spannung der Solarzelle bleibt dagegen fast unverändert. Eine Siliziumzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,6 Volt. Die Stromstärke hängt von der Größe der Zelle ab. Die typischen Solarzellen mit einer Größe von 15 x 15 cm erzeugen etwa 5,5 Ampere Strom. Eine einzelne Zelle hat bei voller Bestrahlung eine Leistung von etwa 3,4 Watt. In einer 1 kWp-Anlage sind somit etwa 300 Solarzellen verschaltet.
Es wird unterschieden zwischen poly- oder multikristallinem und monokristallinem Silizium.
Zellen aus polykristallinem Silizium bestehen aus mehreren Kristallen, deren Struktur zumeist an der Oberfläche erkennbar ist. Im Unterschied dazu besteht eine monokristalline Photovoltaik-Zelle aus einem einzigen Siliziumkristall.Technisch werden beide Zelltypen gleichwertig eingesetzt.
Der Modulwirkungsgrad, also das Verhältnis von elektrischer zu solarer Energie, ist in beiden Fällen etwa gleich und kann je nach Modul zwischen 11 und 16 Prozent liegen. Module aus kristallinem Silizium kommen zum Beispiel bei Dachanlagen standardmäßig zum Einsatz, weil es hier neben hoher Qualität und guter Verarbeitung vor allem auf eine hohe Energieausbeute ankommt.
Die Einheit Wp trägt der Tatsache Rechnung, dass die angegebene Leistung ein maximaler Wert ist, der in der Praxis nur bei direkter Sonneneinstrahlung und gleichzeitig geringer Temperatur erreicht wird. Bei Dünnschichtsolarzellen können unterschiedliche Materialien wie amorphes Silizium oder Cadmium-Tellurid zum Einsatz kommen. Im Unterschied zur kristallinen Technik wird hier das Halbleitermaterial in dünnen Schichten direkt auf einen Träger aufgebracht.
Dieser besteht, wie bei den kristallinen Modulen auch, zumeist aus einer Glasscheibe. Es sind aber auch flexible Träger möglich. Der Modulwirkungsgrad ist deutlich niedriger und liegt zwischen 6 und 9 Prozent.
Aufgrund ihrer niedrigeren Kosten sind Dünnschichtmodule vor allem für Großanlagen geeignet, bei denen der Flächenverbrauch nachrangig ist.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne 0,25 mm dicke Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade. Ihr Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erreicht 14 - 16 %.
Polykristalline Solarzellen:
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen, ergibt sich bei der Erstarrung die typische Eisblumenstruktur aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge. Ihr Wirkungsgrad beträgt 13 - 15 %.
Hierbei werden die photoaktiven Halbleiter als dünne Schichten auf Glasscheiben aufgebracht, dort direkt zu Modulen verschaltet und mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind.
In den letzten Jahren werden verstärkt Dünnschichtsolarmodule entwickelt, die eine kostengünstige Option zur Nutzung der Sonnenenergie darstellen, da sie extrem wenig Halbleitermaterial benötigen und in Zukunft in hochautomatisierten Produktionsanlagen in großen Mengen hergestellt werden können. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 6 - 8 %. Mit neuen Materialien, wie beispielsweise CdT (Cadmium-Tellurid) und CIS (Kupfer-Indium-Diselenid), wurden Dünnschichtsolarmodule mit höherem Wirkungsgrad (8 - 10 %) entwickelt.
Herausgeber
Tel.: 089/27813428
E-mail: sev-bayern@eon-bayern.com
Internet: www.sev-bayern.de
Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar) e.V., Stralauer Platz 34, 10243 Berlin
E-mail: info@bsw-solar.de
Internet: www.solarwirtschaft.de