Photovoltaikanlagen – egal ob große Anlagen auf dem Dach oder kleinere Balkonkraftwerke – sind in aller Munde. Kein Wunder, schließlich sind sie eine schöne Möglichkeit, selbst nachhaltigen Strom zu produzieren und bares Geld zu sparen. Aber wie funktioniert Photovoltaik überhaupt?
Mittlerweile kennen alle sie: Die großen, rechteckigen Platten, die dunkelblau in der Sonne schimmern, sind auf immer mehr Dächern und an immer mehr Balkonen, Terrassen und Hausfassaden zu sehen. Auch wissen alle, dass Photovoltaikanlagen Strom aus Sonnenstrahlen erzeugen. Dem liegt ein technisches Verfahren zu Grunde, das auf den ersten Blick kompliziert scheint. Wir erklären euch einfach, wie Photovoltaik funktioniert.
Was ist Photovoltaik?
Das Wort „Photovoltaik“ setzt sich aus den griechischen Worten „photos“ (Licht) und „Volt“ (Maßeinheit für elektrische Spannung) zusammen. Photovoltaik ist ein technisches Verfahren, mit dem Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wird der sogenannte photoelektrische Effekt genutzt. Kurz gesagt wird in Solarzellen aus Sonnenstrahlung Gleichstrom, der mit einem Wechselrichter in den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt wird.
Übrigens: Oft wird der Begriff „Solaranlage“ synonym zu „Photovoltaikanlage“ verwendet, auch von uns. Eigentlich ist „Solaranlage“ aber der Sammelbegriff für Technologien, die Sonnenenergie nutzen – worunter Photovoltaik aber auch Solarthermie-Anlagen fallen.
Wie sind Photovoltaikanlagen aufgebaut?
Photovoltaikanlagen – egal ob klassische Anlagen auf dem Dach oder Balkonkraftwerke – bestehen aus mehreren Komponenten: Den Solarmodulen, der Halterung, bestimmten Solarkabeln und einem Wechselrichter. Optional kann auch ein Speicher angeschlossen werden. Im Folgenden schauen wir uns die einzelnen Komponenten an:
Solarmodule
Photovoltaikanlagen bestehen aus einem oder mehreren Solarmodulen, die oft auch Solarpanels genannt werden und wiederum aus Solarzellen bestehen. Die Solarzellen sind der Kern jeder Photovoltaik-Anlage, denn in ihnen wird das einfallende Sonnenlicht in Strom umgewandelt.
Solarkabel
In den Solarkabeln fließt der Gleichstrom vom Solarmodul an den Wechselrichter und von dort ins Stromnetz. Sie sind besonders stabil, witterungsfest und halten insbesondere Sonnenstrahlung gut aus.
Wechselrichter
Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus der Photovoltaikanlage in Wechselstrom um. Das ist nötig, weil im Haushalt nur Wechselstrom genutzt werden kann. Es gibt noch eine zweite Art Wechselrichter: Der Batterie-Wechselrichter wandelt den Wechselstrom wieder in Gleichstrom für den Stromspeicher um, denn Wechselstrom kann nicht gespeichert werden.
Halterungen
Um Photovoltaikanlagen nutzen zu können, müssen sie gut montiert werden. Für Balkonkraftwerke gibt es aktuell vier verbreitete Halterungen. Diese richten sich nach der Platzierung der Anlage: entweder auf einem Flachdach, an einem Gittergeländer eines Balkons, einer Hausfassade oder einem Betonbalkon oder auf einem Schrägdach.
Speicher
Manche Solaranlagen verfügen über einen Speicher oder lassen sich durch einen Speicher ergänzen. Überschüssiger Strom kann so im eigenen Haushalt genutzt werden und muss nicht unbedingt ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Wie sind Solarmodule aufgebaut?
Im Solarmodul werden mehrere Solarzellen über Kupferbänder miteinander verbunden und mit Aluminium eingerahmt. Die meisten Module bestehen aus Siliziumzellen und haben Glasoberflächen, durch die das Sonnenlicht optimal scheinen kann und die die Zellen wetterfest verpacken. Auch auf der Unterseite werden die Solarzellen durch eine Mantelschicht vor Witterungseinflüssen geschützt. Bei bifazialen Modulen ist diese Schicht besonders: Durch sie kann auch reflektierendes Licht eingefangen und so zu Strom werden, sodass der Ertrag des Moduls noch höher ausfallen kann.
Die einzelnen Solarmodule werden in verschiedenen Größen angeboten – von einigen wenigen Watt bis zu mehreren Hundert Watt Leistung. Je mehr Module in der Anlage verbaut werden, umso höher ist der mögliche Ertrag der Photovoltaikanlage.
Wie sind Solarzellen aufgebaut?
Moderne Solarzellen bestehen aus zwei Silizium-Halbleiter-Schichten, die durch eine Übergangsschicht voneinander getrennt sind. Das Silizium wird dabei mit Fremdatomen dotiert, also gezielt „verunreinigt“. Einer der beiden Schichten wird meistens Phosphor beigemischt, das ein Außenelektron mehr hat als Silizium. Das sorgt dafür, dass diese Schicht negativ wird, was bedeutet: Es gibt überschüssige, also freie Elektronen. Der anderen Seite wird oft Bor beigemischt, das ein Außenelektron weniger hat als Silizium. Dadurch wird diese Schicht positiv. Das bedeutet: Es fehlen Elektronen.
Übrigens: Alle eingesetzten Materialien sind Halbleiter, das heißt, ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der Leitfähigkeit elektrischer Leiter wie Eisen und Nichtleitern wie Glas oder Kunststoff. Oben und unten haben Solarzellen aber metallische Leiterbahnen.
Wie funktionieren Solarzellen?
Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, geraten die Elektronen in Bewegung. Es kommt zu einem Ausgleich beider Silizium-Halbleiter-Schichten: Die freien Elektronen wandern über die metallischen Leiterbahnen in Richtung der positiven Schicht. Was durch die Elektronenwanderung über die Leiterbahn fließt, ist Strom, der über Kabel abgeleitet und genutzt werden kann. Dabei gilt: Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Solarstrom kann produziert werden.
Wie viel Energie können Solarzellen produzieren?
Die Strommenge, die eine einzelne Solarzelle produziert, ist sehr gering. Erst durch das Zusammenschalten vieler Zellen kann sinnvoll Energie erzeugt werden. Wie viel Strom Solarzellen und damit auch ein Modul und eine Anlage erzeugen können, ist von der Art des Moduls und von der Stärke des einfallenden Sonnenlichts abhängig.
Es gibt verschiedene Arten von Modulen, die sich im Aufbau ähneln und sich gleichermaßen den photoelektrischen Effekt zunutze machen:
Monokristallinen Siliziumzellen
Photovoltaikmodule aus monokristallinen Siliziumzellen bestehen aus einem einzigen Silizium-Kristallgefüge. Sie sind besonders effizient und benötigen nicht viel Fläche, dafür sind die Anschaffungskosten höher.
Polykristalline Module
Polykristalline Module bestehen nicht aus einer, sondern aus mehreren kristallinen Strukturen, was zu geringfügig niedrigerer Effizienz führt. Dafür haben sie oft eine etwas bessere Leistung bei diffuserem Licht.
Dünnschicht-Module
Dünnschicht-Module verwenden andere Halbleitermaterialien, die in einer dünnen Schicht auf Trägermaterialien wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Sie können oft besser bei diffusen Lichtverhältnissen arbeiten, haben aber im Vergleich zu kristallinen Modulen eine geringere Effizienz.
Flex-Solarmodule
Flex-Solarmodule basieren auf der Dünnschicht-Technologie sowie einem flexiblen Trägermaterial und können damit auf gebogenen Oberflächen wie zum Beispiel runden Gartenhaus- oder Wohnwagendächern installiert werden. Flex-Solarmodule haben oft niedrigere Wirkungsgrade als andere Module.
Bifaziale Module
Bifaziale Module fangen Sonnenlicht auf der Vorder- und der Rückseite ein. Dadurch sind sie effizienter, insbesondere wenn sie leicht erhöht montiert werden oder von hellen Oberflächen reflektiertes Licht empfangen. Allerdings sind die Anschaffungskosten höher.
Je stärker die Sonne auf die Solarzellen scheint, desto mehr Strom können diese erzeugen. Die Solarmodule sollten also ideal ausgerichtet werden, sodass sie möglichst lange möglichst intensiv von der Sonne beschienen werden:
Dazu sollten die Module möglichst nach Süden ausgerichtet werden. Viele private Haushalte verbrauchen allerdings morgens und abends den meisten Strom, wenn sie zuhause sind, das Sonnenlicht aber leider nicht ganz so stark ist. Deswegen kann die bessere Lösung sein, ein Balkonkraftwerk einige wenige Grad mehr nach (Süd-)Osten auszurichten, wenn morgens viel Strom verbraucht wird, oder nach (Süd-)Westen, wenn abends mehr Strom verbraucht wird.
Bei kompletter Südausrichtung liegt der optimale Neigungswinkel im Winter bei 35 bis 40 Grad, im Sommer bei 30 bis 35 Grad. In den Übergangsmonaten sollten die Solarzellen im Idealfall nur 20 bis 25 Grad geneigt sein.
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie viel Strom Solarzellen erzeugen können, Nehmen wir als Beispiel ein Balkonkraftwerk mit einem 410-Wp-Solarmodul. Um diese Leistung zu erreichen, sind innerhalb des Solarmoduls 108 Solarzellen miteinander vernetzt. Damit können bei idealer Ausrichtung jährlich 410 Kilowattstunden Strom pro Jahr erzeugt werden. Das entspricht einer jährlichen Ersparnis von 152 Euro Stromkosten und 0,17 Tonnen CO2.
Wie lange halten Solarmodule?
Die durchschnittliche Lebensdauer einer Photovoltaik-Anlage beträgt 30 Jahre. In der Regel haben Solarmodule eine 15-jährige Produktgarantie und eine 25-jährige Leistungsgarantie. Leistungsgarantie bedeutet, dass nach den angegebenen Jahren und der daraus folgenden Leistungsabnahme des Moduls immer noch eine garantierte Mindestleistung erreicht wird.
Fazit
Photovoltaik nutzt den photoelektrischen Effekt, um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Grundbausteine einer Anlage sind Solarmodule, die aus Solarzellen bestehen. In den Solarzellen wird Sonnenlicht zu Strom, indem Elektronen in Bewegung gesetzt werden. Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen, die unterschiedliche Effizienzniveaus und Anwendungen haben.
