Wie funktionieren Photovoltaikzellen und wo werden sie eingesetzt

Photovoltaikzellen, oft auch als Solarzellen bezeichnet, sind Bauelemente, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln – ganz ohne bewegliche mechanische Teile. Es handelt sich um eine saubere, geräuschlose und sehr effiziente Art der Stromerzeugung. In begrenztem Umfang können Photovoltaikzellen auch auf künstliches Licht reagieren, ihr größtes Potenzial liegt jedoch eindeutig in der Nutzung der Sonnenenergie.

Das Sonnenlicht besteht aus winzigen Teilchen, den sogenannten Photonen, die Energie transportieren. Treffen diese Photonen auf die Oberfläche einer Photovoltaikzelle, können sie reflektiert werden, durch das Material hindurchgehen oder vom Halbleitermaterial absorbiert werden. Nur die absorbierten Photonen sind entscheidend, da ihre Energie Elektronen aus den Atomen des Halbleiters löst. Dadurch entsteht elektrischer Strom.

Eine Photovoltaikzelle besteht aus speziell behandeltem Halbleitermaterial (meist Silizium), das es ermöglicht, dass sich die freigesetzten Elektronen gezielt in eine Richtung bewegen. Diese gerichtete Bewegung erzeugt einen elektrischen Potentialunterschied zwischen der Vorder- und Rückseite der Zelle – ähnlich wie bei einer Batterie. Wird die Zelle an einen Stromkreis angeschlossen, beginnt elektrischer Strom zu fließen.

Von der Zelle zum Modul und zur Photovoltaikanlage

Eine einzelne Photovoltaikzelle hat nur eine sehr geringe Leistung, meist etwa 1 bis 2 Watt. Das reicht lediglich für kleine Anwendungen wie Taschenrechner oder Uhren. Deshalb werden mehrere Zellen zu größeren Einheiten zusammengefasst.

• Ein Photovoltaikmodul (Solarmodul) besteht aus vielen miteinander verbundenen Zellen, die in einem stabilen und wetterfesten Rahmen geschützt sind.
• Mehrere Module bilden zusammen eine Photovoltaikanlage oder ein Solarfeld. Je mehr Module installiert sind, desto höher ist die erzeugte Leistung.

Solche Anlagen reichen von kleinen Systemen auf Einfamilienhäusern bis hin zu großen Solarparks mit tausenden von Modulen.

Gleichstrom und Wechselstrom

Photovoltaikzellen erzeugen Gleichstrom (DC). Dieser eignet sich beispielsweise zum Laden von Batterien. Da jedoch Haushalte und öffentliche Stromnetze mit Wechselstrom (AC) arbeiten, wird ein sogenannter Wechselrichter (Inverter) benötigt, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Der Wechselrichter ist somit ein zentrales Element jeder Photovoltaikanlage.

Ausrichtung der Module und Leistung des Systems

Die höchste Leistung erzielen Photovoltaikmodule, wenn sie direkt zur Sonne ausgerichtet sind. In Mitteleuropa werden sie in der Regel nach Süden ausgerichtet und in einem optimalen Neigungswinkel montiert, um den Jahresertrag zu maximieren.

Es gibt auch Nachführsysteme, die die Module automatisch dem Sonnenstand anpassen. Diese erhöhen zwar den Energieertrag, sind jedoch deutlich teurer und werden daher meist nur bei großen Solarkraftwerken eingesetzt.

Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden.

• In den 1980er-Jahren lag der Wirkungsgrad unter 10 %.
• Um 2015 betrug er etwa 15 %.
• Moderne Solarmodule erreichen heute Wirkungsgrade von etwa 22–25 %.

In spezialisierten Anwendungen, zum Beispiel in der Raumfahrt, werden sogar experimentelle Solarzellen mit Wirkungsgraden von nahezu 50 % eingesetzt.

Einsatzbereiche von Photovoltaikanlagen

Photovoltaiksysteme finden vielseitige Anwendung:

• Stromversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern,
• Nutzung in Industrie- und Gewerbebetrieben,
• große Solarparks zur Einspeisung ins öffentliche Netz,
• autarke Systeme in abgelegenen Regionen ohne Stromanschluss,
• Versorgung von Pumpen, Beleuchtung oder Telekommunikationsanlagen,
• Kombination mit Batteriespeichern zur Eigenverbrauchsoptimierung.

Wenn die Sonne nicht scheint, wird der Strom entweder aus dem Speicher oder aus dem öffentlichen Netz bezogen.

Vorteile von Photovoltaikanlagen

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Stromerzeugung auch in Regionen ohne bestehende Strominfrastruktur,
• schnelle und vergleichsweise einfache Installation,
• minimale Auswirkungen auf die Umwelt,
• geräuschloser Betrieb ohne Emissionen,
• lange Lebensdauer der Module (in der Regel 25–30 Jahre),
• deutliche Senkung der Stromkosten.

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