Was ist Photovoltaik und wie funktioniert sie?

Wie funktioniert Photovoltaik? Was ist eine Photovoltaikanlage und wie funktioniert eine Solarzelle? In diesem Beitrag erfahren Sie, was Photovoltaik ist, wie PV-Anlagen funktionieren und welche Komponenten für die Stromgewinnung aus Sonnenlicht entscheidend sind.

Was ist Photovoltaik und wozu dient sie?

Photovoltaik (PV) ist die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Der Begriff setzt sich aus dem griechischen Wort phos (Licht, Genitiv: photos) und der Bezeichnung Volt (Einheit für elektrische Spannung) zusammen. Das Verfahren nutzt die Sonnenenergie zur Stromerzeugung, beispielsweise mittels PV-Anlagen auf Dächern, Balkon-Solaranlagen oder Freiflächenanlagen.

Die Geschichte der Photovoltaik

Funktionsweise und technisches Verfahren basieren auf dem photoelektrischen Effekt, den der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel bereits im Jahr 1839 entdeckte. In den folgenden Jahrzehnten wurde der Effekt weiter erforscht, 1905 erklärte und bewies der spätere Nobelpreisträger Albert Einstein den Photoeffekt in seiner Arbeit zur Lichtquantentheorie.

Ein entscheidender Meilenstein war die Entwicklung der ersten Silizium­solarzellen im Jahr 1954, die Wirkungsgrade von bis zu 6 Prozent aufwiesen. Ab 1958 kam das Verfahren im Bereich der Raumfahrt zum Einsatz, die Anwendung auf der Erde rückte jedoch erst im Zuge der Ölkrise (1973/1974) und verstärkt nach Nuklearunfällen (1979: Harrisburg und 1986: Tschernobyl) in den Fokus der Öffentlichkeit. Ab Ende der 1980er stieg das Forschungsinteresse stark an und inzwischen sind Photovoltaikanlagen in vielen Ländern der Welt als zukunftssichere Art der Stromerzeugung fest etabliert.

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Wie funktioniert Photovoltaik?

Was ist Photovoltaik und wie funktioniert das Prinzip? Solarmodule bestehen aus mehreren Solarzellen, die miteinander verbunden sind. Wie aus Sonnenlicht elektrische Energie entsteht, zeigt das Prinzip der Photovoltaik. Funktionsweise der Solarzellen und Aufbau zeigt folgende Grafik:

Solarzelle Funktion und Aufbau:

Infografik: In Anlehnung an EnBW

Von zentraler Bedeutung sind bei der Solarzelle Funktion und dreischichtiger Aufbau:

- n-dotierte Silizium-Schicht mit freien Elektronen: Beimischung von Phosphor = Schicht ist negativ

- p-dotierte Silizium-Schicht ohne Elektronen: Beimischung von Bor = Schicht ist positiv

- p-n-Übergang: elektrisches Feld zwischen den Siliziumschichten (fungiert als trennende Grenzschicht)

Trifft das Sonnenlicht auf die Solarzellen, werden die Elektronen aktiviert und die freigesetzten Ladungen können die Trennschicht passieren. Es fließt Strom, der über die seitlichen Metallschichten der Zellen abgeführt wird.

Wie ist eine Photovoltaikanlage aufgebaut?

Infografik: In Anlehnung an Aroundhome

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die für den reibungslosen Ablauf der Stromgewinnung aus Sonnenlicht unverzichtbar sind:

  • Solarmodule: Solarzellen werden in einem Alurahmen miteinander verschaltet, in der Regel handelt es sich dabei um Siliziumzellen. Für eine optimale Nutzung sind die meisten Module mit Glasoberflächen versehen und an der Unterseite schützt eine Mantelschicht die Solarzellen vor schädlichen Witterungseinflüssen.
  • Verkabelung: Über die Solarkabel gelangt der Strom zum Wechselrichter
  • Montagesystem: Das Montagesystem dient zur festen Installation auf Dach, Balkon, Fassade etc.
  • Wechselrichter: Abhängig von der Umwandlungsart gibt es unterschiedliche Wechselrichter: Solar-Wechselrichter wandeln Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um | Batterie-Wechselrichter wandelt für den Stromspeicher Wechselstrom wieder in Gleichstrom um. In vielen PV-Anlagen kommen Hybrid-Wechselrichter zum Einsatz, die beide Umwandlungsarten kombinieren. Eine weitere Funktion des Wechselrichters ist die Überwachung des gesamten Systems, damit sich Störungen leichter identifizieren lassen.
  • Stromzähler (Zweirichtungszähler): Die Kombination aus Einspeise- und Bezugszähler misst Eigenverbrauch, Einspeisung des Solarstroms ins Netz und den Strombezug aus dem Stromnetz.

Wird der tagsüber produzierte Strom nicht unmittelbar benötigt, ist optional der zusätzliche Einsatz eines Batteriespeichers sinnvoll, der den tagsüber produzierten Solarstrom für später speichert. Mit dieser Speichermöglichkeit lässt sich der Eigenverbrauch von Solarstrom auf bis zu 80 Prozent steigern.

Was bedeutet kWp?

Das Kürzel kWp steht für Kilowatt Peak und ist im Bereich der Photovoltaik ein gängiges Leistungsmaß für die Spitzenleistung, die PV-Module unter genormten Bedingungen leisten können. Dieser Wert gibt somit an, welche Höchstleistung Solarmodule in Kilowatt (kW) erbringen können. Als Kennwert dient diese theoretisch mögliche Spitzenleistung als wichtiger Faktor für den Vergleich unterschiedlicher Solarzellenarten und kann die optimale Auslegung Ihrer Photovoltaikanlage erleichtern.

Anwendungsgebiete von Photovoltaik

Photovoltaik dient dazu, Solarenergie in elektrische Energie umzuwandeln und leistet einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. In erster Linie sind folgende Anwendungsgebiete relevant:

  • Indach- oder Aufdachanlagen
  • Balkon-PV-Anlagen
  • gebäudeintegrierte Photovoltaik (z. B. an Fassaden)
  • netzgekoppelte PV-Anlagen
  • Freiflächenanlagen

Entwicklung der Photovoltaik

Von der ersten ernsthaften Anwendung in der Raumfahrt über die unkomplizierte Energieversorgung einzelner Geräte wie Taschenrechner & Co. bis zur PV-Anlage auf dem Hausdach - auf dem Gebiet der Photovoltaik gab es in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten erstaunliche Entwicklungen. Es bleibt weiterhin spannend, zukünftige Entwicklungen versprechen möglicherweise höhere Wirkungsgrade, die Nutzung bisher ungenutzter Flächen (Landwirtschaft, Autobahn etc.) und vieles mehr. Das Sonnenlicht ist ohne Zweifel einer der wesentlichen Energieträger der Zukunft.

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