Photovoltaik

Photovoltaik (PV) bezeichnet die Nutzung von Sonnenenergie zur Stromerzeugung. Solarzellen wandeln dabei das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um.

Prinzip der Photovoltaik
Das Prinzip der Photovoltaik beruht auf dem photovoltaischen Effekt, bei dem bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterelementen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und negative Ladungen entstehen. Diese Ladungen werden durch ein elektrisches Feld getrennt (der sogenannte p-n-Übergang) und als Elektronen über einen elektrischen Leiter abgeführt. Solarzellen erzeugen Gleichstrom, der direkt in Gleichstrom-Geräten genutzt oder in Batterien gespeichert werden kann. Soll er ins öffentliche Netz eingespeist und für Haushaltsgeräte benutzt werden, wird er mithilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt.
Solarzellen kommen als Kleinstzellen, z. B. in Taschenrechnern und Uhren sowie im Kilowatt-Bereich zur Stromversorgung von Häusern zum Einsatz. Typische Anlagen auf normalen Gebäuden liegen in einem Leistungsbereich von 2 bis 10 kWp (kWp = Peak-Leistung oder Spitzenleistung, d. h. die maximal mögliche Leistung eines Solargenerators bei Standardbedingungen).

Ein weiteres Einsatzgebiet von PV-Anlagen sind außerdem netzunabhängige Kleinanlagen wie beispielsweise Funk- und Messstationen, Notrufsäulen, Garten- und Wochenendhäuser, die über keinen Anschluss ans öffentliche Netz verfügen. 

Obwohl die jährliche Sonnenstrahlung in Deutschland nicht so üppig ausfällt, wie in südlichen Ländern, lohnt sich Photovoltaik auch in unseren Breiten. Durchschnittlich beträgt die Globalstrahlung in Deutschland rund 900 bis 1.200 kWh pro Quadratmeter, bezogen auf eine horizontale Fläche. Das entspricht einer Durchschnittsleistung von ca. 100 bis 135 W/m².

Zum Vergleich: In Südspanien beträgt die Globalstrahlung etwa 2.000 kWh/m²/a (230 W/m²), in der Sahara 2.500 kWh/m²/a (285 W/m²).

PV-Anlagen sollten möglichst senkrecht zur Strahlung (das heißt in Deutschland ca. in einem Winkel von 30° zur Horizontalen Richtung Süden) installiert werden um den jährlichen Ertrag zu maximieren.

Entwicklungsstand der Technik
Inzwischen steht ein breites Spektrum an Halbleitermaterialien für die Herstellung von Solarzellen zur Verfügung. Das wichtigste Element ist jedoch nach wie vor Silizium, welches in drei verschiedenen Varianten zur Verfügung steht:

Monokristallines Silizium:
teuer in der Herstellung, aber sehr rein; weist den besten Wirkungsgrad auf

Polykristallines Silizium:
einfacher und kostengünstiger in der Herstellung; etwas schlechterer Wirkungsgrad führt zu mehr Aufwand bei Generatorflächen und Gestellen

Amorphes Silizium:
Verarbeitung als Dünnschichtzellen; niedrige Kosten in der Herstellung; geringster Wir-kungsgrad und geringere Langzeitstabilität, wodurch die Kostenvorteile wieder aufgeho-ben werden

Cadmium-Tellurid
Dünnschichttechnologie mit dem derzeit größten Marktanteil. Enthält Schwermetalle, so dass die Rücknahme der Module nach Ablauf der Nutzungszeit abgesichert sein muss.

Weitere Materialien für Dünnschichtzellen sind z. B. Gallium-Arsenid (GaAs), Germanium (Ge) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). Diese befinden sich teilweise jedoch noch in der Erprobung und Entwicklung bzw. haben derzeit nur einen kleinen Marktanteil.

Marktübliche PV-Module haben einen Wirkungsgrad von 6 Prozent (Dünnschichtmodule) bis 20 Prozent (monokristalline Module).