Die Funktionsweise von Photovoltaik und Solarthermie

Solartechnik nutzt Sonnenenergie zur Bereitstellung von Wärme oder Strom. Die Funktionsweise der Photovoltaik, der solaren Stromerzeugung, unterscheidet sich dabei sehr von der Erzeugung von Wärme, der Solarthermie. Der folgende Text erklärt Ihnen daher zunächst die Produktion von Solarwärme über Solarthermie und anschließend die Funktionsweise der Photovoltaik.

Wie funktioniert Solarthermie?

Sonnenenergie lässt sich als Wärme prinzipiell sehr einfach nutzen. Das ist ein wesentlicher Unterschied zur Funktionsweise der Photovoltaik. Im Hochsommer ist nichts weiter nötig, als einen wassergefüllten Schlauch in die Sonne zu legen, um daraus warmes Wasser zu zapfen. Bei tieferen Sonnenständen, wenn höhere Wassertemperaturen oder größere Warmwassermengen benötigt werden, ist der Wirkungsgrad eines solchen, improvisierten Sonnenkollektors aber zu gering. Er lässt sich verbessern, indem der Schlauch in Schlangenlinien in eine Kiste gelegt wird. Außerdem wird das Innere samt Schlauch schwarz gestrichen und dann mit einer Glasscheibe abgedeckt. Das ist bereits der prinzipielle Aufbau eines handelsüblichen Flachkollektoren. Der Unterschied besteht darin, dass dort statt eines Schlauchs starre Rohre verlegt sind. Damit sind die Möglichkeiten der Effizienzsteigerung aber noch nicht erschöpft.

Die Effizienz von Sonnenkollektoren steigern

Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren lässt sich weiter steigern, wenn das Energie sammelnde Rohr fest mit einem Blech verbunden, in eine genau passende Glasröhre eingeschlossen und darin ein Vakuum erzeugt wird. In einem einfachen, luftgefüllten Kollektor erhitzt sich die Luft an den Sammelflächen. Sie steigt auf und transportiert einen Teil der eingestrahlten Wärmeenergie über die Glasfläche in die Umgebung. Diesen Energieverlust minimieren Röhrenkollektoren mit Vakuumröhren.

Größerer Wirkungsgrad, höhere Kosten

Es ist leicht vorstellbar, dass solche hochwirksamen Solarkollektoren viel aufwändiger sind und damit auch höhere Installationskosten verursachen, als einfachere Modelle mit geringerem Wirkungsgrad. Das ist typisch für alle Arten der Solartechnik und sollte bei der Auswahl geeigneter Solarmodule sowie bei der Funktionsweise der Solarthermie berücksichtigt werden.

Funktionsweise der Photovoltaik erklärt anhand der Abbildung eines Hauses

Versorgung des gesamten Hauses mittels Solartechnik auf dem Dach des Hauses

Wie funktioniert Photovoltaik?

Die Photovoltaik nutzt einen fotoelektrischen Effekt, der bei Halbleitern zu beobachten ist. Die ersten Solarzellen wurden aus dem gleichen Halbleitermaterial und mit derselben Technik erzeugt, wie die Chips in Transistoren, integrierten Schaltkreisen, Mikroprozessoren und dergleichen. Sie werden heute als monokristalline Solarzellen bezeichnet. Sie besitzen einen besonders hohen Wirkungsgrad, haben aber auch überdurchschnittlich hohe Herstellungskosten. Im Gegensatz zur Solarthermie, deren Forschung vor allem auf eine Steigerung des Wirkungsgrad abzielt, ging die Entwicklung bei den Solarzellen zunächst primär in Richtung weniger effizienter, dafür aber kostengünstigerer Varianten.

Das klassische Verfahren zur Herstellung sogenannter Wafer, die das Grundmaterial für die Chip- und herkömmliche Solarzellenproduktion bilden, erzeugt zunächst einen zylindrischen Block aus hochreinem, polykristallinem Silizium. Dieser wird nach dem Abkühlen im Zonenschmelzverfahren ein zweites mal aufgeschmolzen, um einen Einkristall zu erzeugen. Das zweimalige Schmelzen des Siliziums ist sehr energieintensiv. Beim anschließenden Zersägen des Blocks in Wafer wird etwa die Hälfte des kostbaren Siliziumeinkristalls zerspant.

Die Funktionsweise der Photovoltaik optimieren

Bei der Fertigung polykristalliner Solarzellen entfällt zumindest das zweite Aufschmelzen des Siliziumblocks. Das String-Ribbon-Verfahren macht aber auch die Herstellung des Blocks und das aufwändige Zersägen überflüssig. Das gilt ebenfalls für Solarzellen in amorpher Dünnschichttechnologie. Für die wird nur eine hauchfeine Siliziumschicht auf ein geeignetes Trägermaterial aufgedampft, insbesondere Glas. Solche Solarzellen sind transparent. Sie können beispielsweise als Sonnenschutz in Fensterflächen an Gebäuden integriert werden. Ganz ohne Silizium kommen organische Solarzellen aus.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die Funktionsweise der Photovoltaik hängt zunächst von der Solarzelle ab, die den Grundbaustein von Solarmodulen bildet. Sie hat den gleichen Aufbau wie eine Leuchtdiode (LED). Sie besitzt aber eine wesentlich größere aktive Fläche. Trotzdem lässt sich die Umwandlung von Licht in Strom auch an einer LED nachweisen, wenn diese an ein ausreichend empfindliches Messgerät angeschlossen und einer wechselnden Beleuchtung ausgesetzt wird. Die Funktionsweise der Photovoltaik erklärt sich dadurch, dass auf die Halbleiteroberfläche auftreffendes Licht Elektronen aus dem Atomverband löst, die dann über eine geeignete Verdrahtung abgeleitet werden.

Charakteristische Unterschiede in der Funktion von Photovoltaik und Solarthermie

Im Vergleich zur Funktionsweise der Photovoltaik verursacht die Solarthermie tendenziell geringere Installationskosten. Sie vereinfacht die Energiespeicherung, bietet aber weniger flexible Nutzungsmöglichkeiten. Diese beschränken sich auf Warmwasserbereitung und Heizung beziehungsweise Heizungsunterstützung. Die Funktionsweise der Photovoltaik bringt es mit sich, dass die Energie nur in dem Moment nutzbar ist, in dem das Licht auf die Solarzellen fällt. Solarthermische Anlagen besitzen bereits durch das im System enthaltene Wasser eine gewisse Speicherkapazität. Diese kann durch vergleichsweise einfache Warmwasserspeicher leicht ergänzt werden. Die Funktionsweise der Photovoltaik erfordert dagegen immer den Einsatz von Solarakkus, sofern der erzeugte Strom nicht unmittelbar vor Ort verbraucht oder ins Netz eingespeist wird. Sofortiger Verbrauch ist selten praktikabel. Denn viele Elektrogeräte mit einem schwankenden Energieangebot, wie es für die Funktionsweise der Photovoltaik typisch ist, funktionieren nicht zuverlässig oder gar nicht . Ausnahmen sind insbesondere Lüfter.

Philipp Hermann

Fazit von Philipp Hermann

Die Funktionsweise der Photovoltaik unterscheidet sich deutlich von der Solarthermie. Das heißt aber nicht, dass eines der Verfahren besser wäre, im Gegenteil, sie besitzen unterschiedliche Anwendungsprofile und können sich vorteilhaft ergänzen.

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