Funktionsweise der Photovoltaik

Mit der besonderen Funktionsweise der Photovoltaik ist es möglich, Strom aus dem Licht der Sonne zu gewinnen. Hausbesitzer können sich damit selbst versorgen, ihre Energiekosten senken und die Umwelt schonen. Aber wie funktioniert eine Photovoltaikanlage? Aus welchen Bauteilen besteht sie und wie ist es möglich, viel selbst erzeugten Strom im eigenen Haus zu verbrauchen? Antworten geben wir in den folgenden Abschnitten.

Photovoltaik: Funktionsweise der Solartechnik

Die Funktionsweise der Photovoltaik basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Dieser besagt, dass sich Elektronen aus einem Halbleiterelement herauslösen, wenn dieses dem Licht ausgesetzt ist. In der Solartechnik passiert das in jeder einzelnen Solarzelle. Die kleinen Elemente, die meist aus Silizium bestehen, sind außerdem mit unterschiedlichen Fremdatomen verunreinigt (dotiert). Das führt dazu, dass sich Elektronen auf der einen und Protonen auf der anderen Seite sammeln. Schließen Experten nun einen Verbraucher an den Plus- und den Minuspol der Solarzelle an, fließt Gleichstrom.

Solartechnik setzt auf eine unerschöpfliche Energiequelle

An einem einzigen Tag sendet die Sonne mehr Energie zur Erde, als die Menschheit in einem ganzen Jahr verbrauchen könnte. Durch die Funktion der Solartechnik lässt sich diese nahezu unerschöpfliche Energiequelle anzapfen. Die Technik erzeugt dabei sauberen Strom. Sie schont die Umwelt und sorgt für niedrige Kosten. Denn eine Rechnung stellt die Sonne nicht.

Strom aus Sonnenlicht durch die Funktionsweise der Photovoltaik
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Die Bauteile einer Photovoltaikanlage und ihre Funktion 

Damit sich die Funktionsweise der Photovoltaik im eigenen Haus nutzen lässt, sind eine Reihe von Bauteilen erforderlich. Allen voran die Solarzellen, die Experten zu Solarmodulen und sogenannten Solargeneratoren zusammenschalten. Um den selbst erzeugten Gleichstrom verbrauchen zu können, ist außerdem ein Wechselrichter erforderlich. Stromzähler verfolgen darüber hinaus, wie viel Strom die Anlage erzeugt und in das öffentliche Netz einspeist.

Solargeneratoren wandeln Sonnenlicht in Strom um 

Der Solargenerator setzt sich aus allen Solarmodulen auf dem Dach zusammen. Er ermöglicht die spezielle Funktionsweise der Photovoltaik und befindet sich bei Hausanlagen in der Regel auf dem Dach. Wie gut die einzelnen Module das Licht in Strom umwandeln können, hängt dabei von der Art der Solarzellen ab. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick Eigenschaften und Wirkungsgrade.

Funktionsweise der Photovoltaik: Solarzelle Eigenschaften Wirkungsgrad
Monokristalline Zellen Diese Zellen entstehen aus hochreinem Silizium. Ausgangsmaterial sind einkristalline Stäbe, die Hersteller in dünne Scheiben (Wafer) schneiden. Zu erkennen sind die Zellen an ihrer homogenen Oberfläche. 14 bis 19 %
Polykristalline Zellen Diese Zellart entsteht aus flüssigem Silizium, das Hersteller in Blöcke gegossen haben. Die Solarzellen sind an der typischen Kristallstruktur zu erkennen und günstiger als monokristalline Zellen. 13 bis 15 %
Dünnschichtzellen (amorphe Zellen) Dünnschichtzellen dampfen Hersteller auf verschiedene Trägermaterialien auf. So gibt es amorphe Zellen auf Glas oder sogar auf flexiblen Folien. Amorphe Zellen sind deutlich günstiger in der Herstellung – erreichen dafür aber auch geringere Wirkungsgrade. 6 bis 8 %

Neben der Art der Solarzellen beeinflussen auch weitere Faktoren die Funktionsweise der Photovoltaik. So zum Beispiel die Ausrichtung und die Neigung der Module auf dem Dach. Am höchsten ist der Ertrag, wenn die Module mit einem Winkel von etwa 35 Grad nach Süden zeigen. Das gilt zumindest dann, wenn sie nicht verschattet sind.

Übrigens: Geht es um die Auslegung einer Photovoltaikanlage, können Hausbesitzer überschlägig mit einer Leistung von einem Kilowatt peak (kWp) pro 1.000 kWh Stromverbrauch im Jahr rechnen. Die Solarmodule belegen dabei eine Dachfläche von durchschnittlich sechs bis acht Quadratmetern. 

Wechselrichter wandeln Gleich- in Wechselstrom um

Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Damit sich die Funktionsweise der Photovoltaik im eigenen Haus nutzen lässt, müssen Wechselrichter diesen in Wechselstrom umwandeln. Aus diesem Grund sitzen die Bauteile zwischen Solargenerator und Hausanlage. Wichtig für die Auslegung ist, dass der Photovoltaik-Wechselrichter zur angeschlossenen Generatorleistung passt. Zeigen die Solarmodule in unterschiedliche Richtungen, sind mehrere Bauteile einzuplanen, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Das Gleiche gilt im Übrigen auch dann, wenn die Module in Summe eine höhere Leistung erzielen.

Stromzähler erfassen den solaren Ertrag der Anlage 

Wie viel Strom hat die Photovoltaikanlage erzeugt und in das öffentliche Netz eingespeist? Diese Frage beantwortet der Stromzähler, der die Energieflüsse überwacht und dokumentiert. Wichtig ist er dabei aus zwei Gründen. Zum einen können Verbraucher mit ihm den Ertrag protokollieren und so die Funktionsweise der Photovoltaik prüfen. Sinkt der Ertrag bei sonst gleichen Bedingungen, liegt vermutlich ein Fehler vor oder eine Photovoltaik-Reinigung ist erforderlich. Zum anderen ermöglicht der Stromzähler aber auch die individuelle Vergütung des eingespeisten Stroms. Diese ist im EEG geregelt und liegt aktuell (Inbetriebnahme Juni 2020) bei 9,17 Cent pro Kilowattstunde.

Funktionsweise der Photovoltaik: Autark durch Stromspeicher 

In Bezug auf die Nutzung des selbst erzeugten Stroms gibt es eine besondere Herausforderung: Das Angebot an elektrischer Energie ist tagsüber am größten. Bedarfsspitzen liegen hingegen in den Morgen- und Abendstunden. Also immer dann, wenn die Sonne nicht scheint. Mit einem Stromspeicher lässt sich diese Differenz überbrücken. Denn die Akkumulatoren nehmen Tagstrom auf und versorgen das Haus auch in der Nacht mit selbst gewonnener Energie vom Dach. Mit einer Speicherkapazität von rund einer Kilowattstunde pro Kilowatt peak Solarleistung lässt sich der Eigenverbrauchsanteil des Solarstroms anheben. Üblich ist dabei eine Steigerung von etwa 20 auf 60 Prozent. Hausbesitzer müssen weniger Strom aus dem öffentlichen Netz einkaufen, sparen bares Geld und schonen darüber hinaus auch die Umwelt.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz
Fazit von Alexander Rosenkranz
Die Funktionsweise der Photovoltaik basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Dieser läuft in jeder einzelnen Solarzelle ab und führt dazu, dass die Halbleiterelemente unter Strahlung Elektronen abgeben. Wie effizient bei einer Photovoltaikanlage die Funktion ist, hängt dabei von der Art der Solarzellen und der Anordnung der Module ab. Wer viel Solarstrom selbst nutzen möchte, kann die Anlage um einen Stromspeicher ergänzen.