Photovoltaik: Funktion

Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, das die Eigenschaft besitzt, bei Energiezufuhr elektrisch leitfähig zu werden. Am gängigsten ist Silizium zur Herstellung von Solarzellen. Sobald Energie in Form von Sonnenlicht auf das Material fällt, kann Strom fließen. Solange keine thermische Energie zugeführt wird, ist Silizium nicht sehr leitfähig, anders als beispielsweise Metalle wie Kupfer.

Elektronen und Photonen

Das Sonnenlicht besteht aus Photonen, die unterschiedlich viel Energie enthalten, weswegen die Solarzelle nie das gesamte einfallende Sonnenlicht zur Energiegewinnung nutzen kann. Sobald Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, regen die energiereichen Photonen die im Silizium gebundenen Elektronen zur Bewegung an. Deren Bewegung ist gleichbedeutend mit dem Fluss von Strom.

Aufbau einer Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten. Den Hauptteil bilden in der Regel zwei Siliziumschichten, eine negativ geladene auf der einen und eine positiv geladene auf der anderen Seite. Zwischen ihnen befindet sich eine dünne Grenzschicht. Fällt Licht ein, beginnen sich die Elektronen zu bewegen, und in der Grenzschicht baut sich ein elektrisches Feld auf. Es fließt Solarstrom, der anschließend aus der Zelle abgeleitet werden kann.

Verschiedene Arten von Zelltypen

Die allermeisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Doch auch zwischen den Silizium-Zellen gibt es Unterschiede, die sich auf den Wirkungsgrad der Solarmodule und auf die Herstellungskosten auswirken. Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Arten von Modulen:

• Monokristallin: Hierbei handelt es sich um hochreines Silizium, das einen guten Wirkungsgrad aufweist. Dieser liegt in etwa bei 25 Prozent. Aufgrund des hochwertigeren Materials kosten diese Zelltypen auch am meisten.
• Polykristallin: Der Herstellungsprozess ist einfacher, das Ergebnis jedoch auch ungleichmäßiger, woraus sich ein geringerer Wirkungsgrad von etwa 18 Prozent ergibt, den jedoch die günstigeren Produktionskosten aufwiegen.
• Amorph: Amorphes Silizium wird auf Glas oder ein anderes Trägermaterial aufgebracht und ist sehr dünn. Die Kosten für das Material sind darum deutlich niedriger als bei den anderen Varianten. Jedoch ist auch der Wirkungsgrad mit etwa 7 Prozent viel geringer.

Weiterleitung des Stroms innerhalb der Photovoltaik-Anlage

Die Solarzellen in den Photovoltaik-Modulen sind nicht der einzige Bestandteil einer PV-Anlage – jedoch definitiv das Herzstück, da sie den Solarstrom erzeugen. In den Zellen können Sie den Strom jedoch nicht nutzen, dieser muss weiterbefördert werden.

Jedes Photovoltaik-Modul besteht aus mehreren Solarzellen und ist auf einem Montagesystem befestigt – bei privaten Anlagen in den meisten Fällen auf einem Dach. Es gibt unterschiedliche Montagesysteme und Lösungen für Schräg- und Flachdächer. Der grundsätzliche Unterschied besteht zwischen Aufdach- und Indachmontage.

Aufdach- und Indachmontage

• Bei der Aufdachmontage schweben die Solarmodule scheinbar über der Dachhaut, also zum Beispiel den Ziegeln. Das Trägersystem, in das die Module eingelegt sind, ist dabei mit Dachhaken befestigt.
• Bei der Indachmontage übernehmen die Photovoltaik-Module die Funktion der Dachhaut und liegen direkt zwischen den Ziegeln. Diese Art der Befestigung bietet vor allem optische Vorteile, ist jedoch gerade bei der nachträglichen Installation einer PV-Anlage die kostenintensivere und aufwendigere Option.

Von den Modulen aus leiten Kabel den produzierten Strom in das Hausnetz, wo Sie den Strom verwenden können. Alternativ fließt der Strom durch die Kabel direkt weiter in das öffentliche Stromnetz, zum Beispiel wenn gerade zu wenig Geräte den erzeugten Strom benötigen und ein eventuell vorhandener Stromspeicher vollständig aufgefüllt oder schlichtweg nicht vorhanden ist.

Daneben sind in einer Photovoltaikanlage einige weitere Komponenten erforderlich, etwa ein Wechselrichter, der den produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, sowie verschiedene Zähler.