Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie

Der Begriff Photovoltaik, abgekürzt PV, steht für eine Technologie der Solartechnik, mit deren Hilfe Strom aus Sonnenenergie generiert wird. Im Gegensatz dazu dient die sogenannte Solarthermie zu Erzeugung von Wärme aus Sonnenenergie. Die PV ist heute eine wichtige Möglichkeit für die erneuerbare Energieerzeugung. Das griechische Wort Photo bedeutet Licht. Sonnenlicht, die erneuerbare Energiequelle, die sich die Photovoltaik zunutze macht, besteht aus unzähligen Energieträgern, den sogenannten Photonen. Mit Hilfe einer Photovoltaik-Anlage wird die Lichtenergie absorbiert. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte Solarzellen, die gruppenweise in Solarmodulen zusammengefügt sind. Die Solarzellen wandeln die Lichtenergie in elektrische Energie um. Diese physikalische Fähigkeit nennt man auch photovoltaischen Effekt - der namensgebend für die Technologie Photovoltaik ist.

Es gibt verschiedene Varianten von Solarzellen, die sich in Aufbau, Funktionsweise und Material unterscheiden - und daraus resultierend in Leistung und Kosten. Am häufigsten sind derzeit Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium im Einsatz. Dessen elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern (Material mit elektrischer Leitfähigkeit) und Nichtleitern (Material ohne elektrische Leitfähigkeit). Für die Verwendung von Silizium spricht, dass es preiswert ist und sich in sehr reiner und sogenannter einkristalliner Form herstellen lässt. Ein Einkristall ist ein Kristall aus Bausteinen mit durchgehend einheitlichem, homogenem Kristallgitter.

Photovoltaik Kollektoren stehen vor Windrädern und einem blauen Himmel

Aufbau und Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage

Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus mehreren Komponenten:

Solargenerator und Solarmodul als Teil einer Photovoltaik-Anlage

Der sogenannte Solargenerator, der aus vielen Solarmodulen zusammengesetzt ist, wird so installiert, dass er möglichst viel Sonne einfängt. Die Solarmodule sind dabei entweder parallel zueinander oder in Reihe geschaltet. Für ein einzelnes Solarmodul werden mehrere Solarzellen zusammengebaut, sie sind sozusagen die kleinste solare Bauteileinheit.

Solarzelle als Bestandteil eines Photovoltaik-Systems

Das Halbleitermaterial Silizium, aus dem heute die meisten Solarzellen gefertigt sind, wandelt die Lichtenergie der Sonne in Strom um. Dies funktioniert so: Die typische Solarzelle besteht aus zwei Siliziumplättchen, die übereinander liegen. Die Plättchen sind unterschiedlich dotiert. Das ist der Fachausdruck dafür, dass man Fremdatome wie Bor oder Phosphor in die kristalline Struktur des Siliziums einbringt. Als sogenannte Störstellen verändern diese die elektrischen Eigenschaften von Silizium, so dass eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die Donation oder auch Dotierung erhöht somit die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials Silizium. Zwischen den beiden bereits beschriebenen Siliziumplättchen entsteht eine Art Grenzschicht.

Nur elektrische Ladungen, die mittels Sonnenlicht freigesetzt wurden (Elektronen und Löcher) können sie passieren. Vorder- und Rückseite der Siliziumplättchen versieht man mit Metallkontakten, zum Beispiel in Form einer Schicht aus Aluminium oder Silber. Diese Schicht wird im Siebdruckverfahren auf die Plättchen aufgebracht. Auf der Vorderseite des Plättchen wird die Schicht in Form eines Gitters aufgedruckt, damit auch noch genug Sonne ungehindert bis zur darunter liegenden Siliziumschicht gelangt. Die metallische Kontaktschicht würde jede Menge der Lichtstrahlen reflektieren und so den Ertrag der Photovoltaikanlage schmälern. Um das zu verhindern, wird auf die Kontaktschicht Siliziumnitrid oder Titanoxid aufgedampft.

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, initiiert es eine Teilchenbewegung: den elektrischen Strom. Will man diesen Strom im Haushalt selbst verbrauchen, um damit elektrische Klein- und Großgeräte zu betreiben, muss der Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt werden. Dieser Strom kann im Haushalt für den Betrieb aller elektrischen Geräte verwendet werden - vom elektrischen Auto (E-Mobil), über den Computer, Fön, den Kühlschrank oder die Waschmaschine. Die Umwandlung des Gleichstroms in sogenannten Wechselstrom ist zudem nötig, wenn man neben dem Eigenverbrauch und einer möglichen Stromspeicherung noch überschüssigen Strom ins öffentliche Netz einspeisen möchte.

Wechselrichter als Teil der Photovoltaik-Anlage

Das Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom übernimmt ein sogenannter Wechselrichter. Er bildet somit das Bindeglied zwischen der Photovoltaik-Anlage und dem Stromnetz. Der Gleichstrom fließt vom Solarmodul über Gleichstromleitungen zum Wechselrichter.
Ist die PV-Anlage netzgekoppelt, also ans öffentliche Stromnetz angeschlossen, fließt der vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelte Solarstrom ins öffentliche Stromnetz. Dafür kassiert der Anlagenbetreiber eine Vergütung, welche als Einspeisevergütung bezeichnet wird.

Doch die Einspeisevergütung verliert als Anreiz für die Installation einer PV-Anlage an Bedeutung: Lange war die Solarvergütung Grund genug, sich eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach zu installieren. Denn sie garantierte ihren Betreibern neben dem grünen Solarstrom auch eine gute Einnahmequelle.
Mit der staatlich verordneten stetigen Senkung der Einspeisevergütung, die mittlerweile bei acht bis zwölf Prozent angekommen ist und weiter sinkt, verliert diese an Reiz und das Verkaufsargument an Kraft. Dafür rückt der Eigenverbrauch in den Mittelpunkt der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage.

Denn wer den im eigenen Haushalt benötigten Strom für derzeit 11 bis 13 Eurocent selbst produzieren kann, liegt mit derartigen Stromgestehungskosten unter den etwa 25 Cent, für die man heute Strom aus dem öffentlichen Netz einkauft. Und das wiederum lohnt sich dann tatsächlich. Denn der Preisvorteil von selbst verbrauchtem Eigenstrom zu 13 Eurocent gegenüber Netzstrom zu 25 Eurocent und mehr liegt auf der Hand. Allerdings nur dann, wenn die Möglichkeit besteht, den aus Sonnenenergie gewonnenen Solarstrom zu puffern, also zu speichern.

Stromspeicher als Bestandteil eines Photovoltaik-Systems

Ein geeigneter Stromspeicher, mit dessen Hilfe der Sonnenstrom zwischengelagert werden kann, ist sinnvoll, weil die Erträge der Photovoltaik-Anlage von der Sonne abhängig sind. Und in den meisten Haushalten wird nicht mittags, zum Höchststand der Sonne der meiste Strom verbraucht, sondern morgens und abends. Gepufferter Solarstrom lässt sich zeitversetzt abrufen, was das Thema Stromspeicher interessant und das Konzept einer Photovoltaik-Anlage zur Erzeugung von Eigenstrom attraktiv macht.

Ein Stromspeicher verhilft dem Haushalt dazu, den Eigenverbrauchsanteil des Stroms aus Sonnenenergie deutlich zu steigern. Die Rede ist hier von mehr als 70 Prozent mit Puffer, anstatt 30 Prozent ohne diesen. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Stromspeicher. In Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage mit typischer Betriebsweise (Eigenverbrauch und/oder Netzeinspeisung) kommen großteils Stromspeicher zum Einsatz, die auf elektrochemischer Speicherung basieren. Dies sind zum Beispiel:

  • Blei-Akkus
  • Lithium-Ionen-Akkus
  • Nickel-Cadmium-Akkus
Heizung.de Autorin Doreen Brumme

Fazit von Doreen Brumme

Eine Photovoltaik-Anlage macht das Erzeugen solaren Stroms aus der von der Sonne angelieferten Energie erst möglich. Wer die Photovoltaik installiert, um damit den Eigenbedarf an Haushaltsstrom zu decken, tätigt eine Investition in eine umweltfreundliche Energieversorgung, die von fossilen Stromquellen und ihren stetig steigenden Preisen unabhängiger ist.

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