Photovoltaik: Strom aus Sonnenenergie

Der Begriff Photovoltaik, abgekürzt PV, steht für eine Technologie der Solaranlage, mit deren Hilfe Strom aus Sonnenenergie generiert wird. Im Gegensatz dazu dient die sogenannte Solarthermie zur Erzeugung von Wärme aus Sonnenenergie. Wodurch sie sich genau voneinander unterscheiden, erklärt der Beitrag "Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik". Was eine Photovoltaik-Anlage genau auszeichnet, lesen Sie in diesem Artikel.

Was ist eine Photovoltaik-Anlage?

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.

Solarzellen als Bestandteil der Photovoltaik - Arten

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.

Wie effizient eine Solaranlage die Strahlung dabei in Strom umwandeln kann, hängt also vom Material der Module ab. Nach Art der Solarzellen lassen sich die Module heute wie folgt unterscheiden:

Photovoltaik Kollektoren stehen vor Windrädern und einem blauen Himmel
© vencav / Fotolia
  • Monokristalline Zellen
  • Polykristalline Zellen
  • Amorphe Zellen

Monokristalline Zellen werden aus homogenen Kristallstäben gesägt und erreichen durch die gleichförmige Struktur einen Wirkungsgrad von bis zu 18 Prozent. Sie eignen sich vor allem da, wo die Bedingungen für die Solaranlage nicht perfekt sind oder viel Leistung auf einer geringen Fläche erzeugt werden muss. Im Vergleich zu anderen Zellenarten sind sie teuer.

Polykristalline Zellen werden aus inhomogenen Kristallblöcken hergestellt. Sie sind an ihrer typischen Kristall-Struktur zu erkennen, erreichen Wirkungsgrade von elf bis 14 Prozent und haben allgemein ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Bei amorphen Zellen - Zellen ohne geordnete Struktur - wird Silizium auf ein Trägerelement aufgedampft. Durch dieses Verfahren können die Module einer Solaranlage mit besonders dünnen Schichtdicken hergestellt werden, die in einen Wirkungsgrad von sechs bis acht Prozent erreichen. Die Kosten sind im Vergleich zu den anderen Modularten am günstigsten.

Aufbau und Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage

Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus mehreren Komponenten. Diese wollen wir Ihnen in den nächsten Abschnitten im Detail vorstellen. Doch zunächst geben wir einen Überblick über die einzelnen Komponenten: 

  • Solarzelle: Sie ist die kleinste Einheit, in der das Sonnenlicht aufgefangen werden kann.
  • Solarmodul: Dies ist die Zusammenschaltung mehrerer Solarzellen. Sie wird deswegen nötig, weil in einzelnen Solarzellen nur wenig Strom erzeugt werden kann.
  • Schutzschicht: Sie schützt die empfindliche Solartechnik entweder mit einer Kunststoffumhüllung oder einem Glasdach.
  • Solargenerator: Mehrere Module werden zum Generator zusammengeschlossen.
  • Welchselrichter: Er wird benötigt, wenn man den erzeugten Gleichstrom in das öffentliche Netz einspeisen will.

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.

Warum gibt es das Gitter auf den Solarzellen?

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 Plättchens 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.

Photovoltaikanlage auf dem Dach
© tl6781 / Fotolia

Die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom ist nötig

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, initiiert es eine Teilchenbewegung: den elektrischen Strom. Will man diesen technisch bedingten Gleichstrom im Haushalt selbst verbrauchen, um damit elektrische Klein- und Großgeräte zu betreiben, muss er 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 Photovoltaik-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.

Photovoltaik für Eigenverbrauch wird immer attraktiver

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 Photovoltaik-Anlage.

Vier Batterien liegen auf einem Tisch - Stromspeicher
© M. Schuppich / Fotolia

Eingekaufter Strom ist deutlich teurer als der selbst erzeugte

Denn wer den im eigenen Haushalt benötigten Strom für derzeit 11 bis 13 Cent selbst produzieren kann, liegt mit derartigen Stromgestehungskosten unter den etwa 28 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 Cent gegenüber Netzstrom zu 28 Cent 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.

Blei und Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Ein Stromspeicher verhilft dem Haushalt dazu, den Eigenverbrauchsanteil des Stroms aus Sonnenenergie deutlich zu steigern. Die Rede ist hier von mehr als 60 Prozent mit Puffer, anstatt 20 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

Blei-Akkumulatoren kennen viele aus dem Auto. Denn hier werden sie in der Regel als Starter-Batterie eingesetzt. Sie sind zwar günstig, erreichen mit 80 bis 85 Prozent aber nur niedrige Wirkungsgrade. Außerdem verzeichnen Blei-Akkumulatoren oft nur 2.000 Ladezyklen und müssten in einer Solaranlage alle 10 Jahre ausgetauscht werden.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden zum Beispiel in Smartphones, Tablets oder Notebooks verwendet und kommen mit Wirkungsgraden von 90 bis 95 Prozent ohne bedeutende Speicherverluste aus. Neben einer hohen Energiedichte, durch die der Strom platzsparend gespeichert werden kann, erreichen sie mitunter mehr als 5.000 Ladezyklen und können in einer Solaranlage mindestens 20 Jahre lang verwendet werden.

Ratgeber rund um die Photovoltaik

Das Thema Photovoltaik ist sehr umfangreich und lässt sich kaum auf einer Seite komplett abbilden. Daher finden Sie in der folgenden Tabelle alle themenverwandte Artikel zu diesem Thema. Zudem haben wir im Beitrag Vorteile der Photovoltaik viele Informationen zusammengestellt, die Ihnen vor der Kaufentscheidung behilflich sein können. 

ThemenKurzbeschreibung
Photovoltaik Förderung Der Staat fördert die Anschaffung mit hohen Fördermitteln. 
Photovoltaik-FinanzierungWer kein eigenes Hausdach hat und trotzdem seinen eigenen Strom erzeugen möchte, kann eine Photovoltaikanlage auch mieten.
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Photovoltaik KomplettanlageKomplettanlagen haben den Vorteil, dass alle wichtigen Bestandteile in einem Set geliefert werden. Sie müssen nicht separat recherchiert oder erworben werden
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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