Funktionsweise von Photovoltaik einfach erklärt!

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist von außen betrachtet sehr simpel: Die Sonne scheint auf die Module und aus der Steckdose kommt Strom. Doch was passiert dazwischen? Bevor ein Modul den ersten Sonnenstrahl in Elektrizität umwandeln kann, müssen einige Dinge passieren. Wir erklären Ihnen auf einfache Weise, was hinter dem Geheimnis der Solaranlage steckt und wie Solarenergie eigentlich funktioniert.

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Woraus besteht ein Solarmodul?

Die dunklen Platten hat jeder schon mal gesehen. Ob auf Hausdächern, neben der Autobahn oder im Mini-Format im Taschenrechner: Solarmodule werden immer präsenter. Sie ermöglichen es, Strom ohne CO₂-Ausstoß zu generieren.

Solarmodule bestehen aus mehreren Schichten, die in der Herstellung unter Wärme und Druck zu einem Laminat verbunden werden. Den Querschnitt können Sie sich wie folgt vorstellen:

• Eine Schicht gehärtetes Glas zum Schutz der PV-Zellen
• Ethylenvinylacetat-Folie (EVA-Folie) zum Schutz der Solarzellen
• Die eigentlichen Solarzellen
• Eine weitere Lage Ethylenvinylacetat-Folie (EVA-Folie) zum Schutz der Zellen
• Kunststofffolie oder Glasplatte zum Schutz der Module

Ein Aluminiumrahmen sorgt abschließend für Stabilität und die sichere Befestigung der Paneele an ihrem Platz. Auf der Rückseite der Module befindet sich eine Kabelbox für den Anschluss der Stromleitungen.
Das Herzstück des Solarmoduls, die Solarzellen, werden aus speziellen Halbleitermaterialien hergestellt, am häufigsten aus Silizium. Durch die besonderen Eigenschaften des Materials kommt es unter Sonneneinstrahlung zum sogenannten photovoltaischen Effekt.

Exkurs: So funktioniert der photovoltaische Effekt

Sonnenlicht besteht aus winzigen Energiepartikeln, den Photonen. Sobald eine Solarzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, treffen die Photonen auf Elektronen in den Zellen und regen diese an.

Hier kommen die verschiedenen Materialien und Schichten der Solarzelle ins Spiel. Wenn ein angeregtes Elektron genug Energie hat, kann es von der Schicht, die für das Absorbieren des Lichts zuständig ist, in eine sogenannte Grenzschicht (auch pn-Übergang genannt) wandern.
Durch diese “Wanderung” entsteht dann eine elektrische Spannung. Die Ladungen sammeln sich an den beiden Seiten der Grenzschicht: positive Ladungen auf der einen Seite und negative Ladungen auf der anderen Seite. Wird nun ein externer Stromkreis angeschlossen, können die Elektronen, über den Stromkreis geleitet, zwischen beiden Seiten der Grenzschicht zirkulieren: Strom entsteht.

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Wie werden Solarzellen hergestellt?

Silizium ist ein Halbleiter, was bedeutet, dass seine elektrische Leitfähigkeit gesteuert werden kann. Doch ohne die richtige Behandlung des Materials kann mit Silizium allein kein Strom erzeugt werden.

Die Herstellung der einzelnen Solarzellen beginnt bei der Gewinnung des Siliziums aus Quarzsteinstücken einer Mineralader. Da die Reinheit des Siliziums entscheidend für die Leistung der fertigen Solarmodule ist, werden die Stücke im ersten Produktionsschritt mittels chemischer Verfahren gereinigt und anschließend geschmolzen.

Dem Silizium wird dann ein sogenannter “Impfstab” beigefügt, an dem sich das geschmolzene Material absetzen kann. Dabei ordnen sich die Moleküle in sogenannte monomolekulare Schichten. Das bedeutet, dass jede Schicht des Materials aus nur einer Lage von Molekülen besteht, demnach extrem dünn ist. Das Silizium erstarrt in Form eines Einkristalls, bzw., wenn er kleiner ist, eines Polykristalls.

Der so entstandene Silizium-Barren, wird daraufhin in dünne Scheiben geschnitten, die Wafer genannt werden. Im nächsten Schritt werden eventuelle Oberflächen-Unregelmäßigkeiten und Schnittfehler bereinigt und die Wafer dann dotiert. Unter Dotierung versteht man den Auftrag von winzigen Mengen anderer chemischer Elemente auf die Zelle. Dadurch entstehen positiv und negativ geladene Bereiche innerhalb des Siliziums, die für den Photovoltaikeffekt wichtig sind.

Nach der Dotierung werden die Wafer mit einer Absorptions- und Antireflexionsschicht versehen. Die Antireflexionsschicht sorgt dafür, dass so viel Sonnenlicht wie möglich bei den Solarzellen ankommt.

Schließlich werden Metallstreifen in die Oberfläche des Solarmoduls eingelassen und mit Kontakten verbunden, die die elektrische Energie aufnehmen und weiterleiten.

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Die wichtigsten Arten von Solarzellen

Es gibt drei Haupttypen von Solarmodulen, die sich vor allem im Herstellungsprozess der darin enthaltenen Solarzellen unterscheiden:

• Monokristalline Zellen
• Polykristalline Zellen
• Dünnschichtzellen

Monokristalline Solarmodule

Monokristalline Solarmodule sind Module, deren Zellen aus einem einzigen Kristall aus hochreinem Silizium bestehen.

Sie erstarren bei einer homogenen Temperatur, was zu einer höheren Effizienz und Leistung des Moduls führt, da sich die Elektronen freier bewegen können. Ihr Wirkungsgrad beträgt bis zu 22%, was bedeutet, dass bis zu 22% des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität umgewandelt wird. Was nach wenig klingt, ist in der Praxis ein sehr guter Wert. Durch den hohen Wirkungsgrad können sie mehr Energie auf der zur Verfügung stehenden Fläche erzeugen, als beispielsweise polykristalline Zellen.

Monokristalline Solarmodule sind sehr robust. Dies zeigt sich unter anderem in ihrer langen Lebensdauer, die mehr als 30 Jahre betragen kann. Die meisten Hersteller geben daher auf monokristalline Solarpaneele eine Garantie von 25 bis 30 Jahren. Der Nachteil ist eine komplexe und teure Produktion, was sie in der Anschaffung teurer macht.

Polykristalline Solarmodule

Polykristalline Solarmodule hingegen bestehen aus unterschiedlich ausgerichteten Kristallen und sind an ihrer bläulichen Färbung zu erkennen. Sie sind günstiger herzustellen, ihre Zusammensetzung bedingt jedoch eine geringere Effizienz und Leistung.

Unterschied zwischen monokristallinen und polykristallinen Modulen

Monokristalline Module haben einen ca. 10% höheren Wirkungsgrad, als polykristalline, und schneiden sowohl bei direkter als auch bei diffuser Einstrahlung besser ab. Dies ist besonders an bewölkten Tagen ein klarer Vorteil.

Bei niedrigen Temperaturen bringen die monokristallinen Panels eine höhere Leistung als polykristalline Modelle. Bei hohen Temperaturen jedoch verhalten sich beide Arten sehr ähnlich.

Für Wohngebäude empfehlen wir die monokristalline Technologie. Dank des höheren Wirkungsgrades erhalten Sie so mit weniger Modulen mehr Leistung. Auch ästhetische Gründe können für die monokristallinen Solarzellen sprechen, da diese völlig schwarz sind und sich optisch besser in Dächer integrieren.

Dünnschicht Solarmodule

Der Vollständigkeit halber erwähnen wir auch die Dünnschicht-Solarmodule. Bei dieser Modulart wird das Halbleitermaterial direkt auf eine Glasplatte oder eine Folie aufgedampft oder gesprüht.

Dadurch sind die Module viel dünner, benötigen weniger Material und kommen auch ohne einen Rahmen aus.

Sie sind flexibel und haben ein geringeres Gewicht, wodurch sie einfacher in Gebäudestrukturen integriert oder auch mobil genutzt werden können. Der große Nachteil ist jedoch der deutlich geringere Wirkungsgrad von nur zehn bis 13 Prozent. Hinzu kommt eine höhere Degradation, das bedeutet, sie reduzieren ihre maximale Leistung schneller als andere Modultypen.

Bei Otovo arbeiten wir nur mit monokristallinen Solarmodulen, um unseren Kunden die höchste Leistung und die größten Einsparungen zu garantieren. Energetische Unabhängigkeit ist nur einen Klick entfernt:

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So funktionieren die einzelnen Elemente einer Solaranlage

Wir wissen jetzt, wie Solarzellen funktionieren. Doch wie kommt der generierte Strom in die Steckdose? Hierzu arbeiten mehrere Komponenten eng miteinander zusammen.

Die Hauptkomponenten einer typischen Solaranlage sind eine Unterkonstruktion für das Dach, Solarzellen, Wechselrichter, ein optionaler Batteriespeicher und das Stromnetz.

Um den von den Solarpaneelen erzeugten Gleichstrom (DC) in den für den Haushaltsgebrauch benötigten Wechselstrom (AC) umzuwandeln, kommt der Wechselrichter ins Spiel. Dieser wandelt den Gleichstrom in den benötigten Wechselstrom um. Der kann dann direkt im Haushalt verwendet oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Oft wird eine Solaranlage mit einem Batteriespeicher kombiniert. Der Speicher ist dazu da, überschüssige Energie zwischenzuspeichern, um sie zeitversetzt nutzen zu können, wenn die Sonne mal nicht scheint. Dies ist besonders praktisch, wenn man tagsüber, wenn der meiste Strom erzeugt wird, wenig zu Hause ist. Kommt man abends, wenn es bereits dunkel ist, nach Hause, erzeugt die Solaranlage keinen Strom mehr. Der Batteriespeicher dient dann als Puffer, um die Eigenversorgung mit Solarstrom zu erhöhen und die Abhängigkeit vom Stromnetz zu reduzieren.
Die Solaranlage ist in der Regel über Kabel mit dem Stromnetz verbunden, um den erzeugten Strom einzuspeisen oder zusätzlichen Strom aus dem Netz zu beziehen, wenn mehr Energie benötigt, als erzeugt wird. Wenn die Solaranlage hingegen mehr Strom erzeugt als der Haushalt benötigt, wird der Überschuss ins Netz eingespeist. Dank der Einspeisevergütung können Sie somit Geld mit Ihrer Anlage verdienen.