Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.
Die Photovoltaik ist seit 1958 zur Energieversorgung (von zunächst Satelliten) im Einsatz.
Es trifft ständig weitaus mehr Strahlungsenergie der Sonne auf die Erde, als die Menschheit Energie verbraucht. Die Wandlung dieser Energie ist ohne Erzeugung von schädlichen Nebenprodukten wie Abgasen (beispielsweise Kohlendioxid) möglich. (Eine 700 mal 700 km große Fläche in der Sahara mit Fotovoltaikpanelen ausgekleidet würde den weltweiten Energiebedarf decken, siehe auch Sonnenenergie.)
Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischem Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt, als er die Einwirkung von Licht auf Materie und elektrochemische Vorgänge untersuchte. Nachdem Becquerel der Nachweis des Effekts in einem Elektrolyt-Bad gelang, wiesen 1876 amerikanischen Physiker dasselbe Phänomen in einem Selenkristall nach. 1954 wurde schließlich die erste Siliziumzelle, mit einem Wirkungsgrad von fünf Prozent, ebenfalls von amerikanische Physikern gebaut. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, vor allem durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen.
Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz nimmt ein Wechselrichter die nötige Wandlung vor.
In der saarländischen Gemeinde Quierschied, Ortsteil Göttelborn wird 2004/2005 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von bis zu 7,4 Megawatt entstehen.
Das 100.000 Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben.
Die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung wird von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt, wobei die Leistung der Wechselrichter der tatsächlich ins Netz eingespeisten Leistung entspricht. Momentan eingesetzte Wechselrichter haben ihren MPP (Maximum Power Point = Punkt des besten Wirkungsgrades) bei ca. 80% der kWp-Leistung, künftige Geräte sollen sogar bis an 95% der kWp-Leistung herangehen.
Aufbau
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Der Generator empfängt und wandelt die Lichtenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Als Empfänger dient entweder die Solarzelle direkt oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Zellen umleiten und eventuell konzentrieren. Eine Konzentrierung, häufig mit einer Fresnellinse, findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung insgesamt auf die Empfängerfläche trifft. Die Solarzelle dient in jedem Fall als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der sehr geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle werden mehrere zu Solarmodulen zusammengefasst. Für einen Generator werden ein oder mehrere Module benötigt.
Die elektrische Energie wird nun über Kabel dem System zugeführt. Sie kann entweder gespeichert (Inselanlage) oder auch in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage). Abhängig von der Verwendung der Energie besteht der weitere Teil der PV-Anlage aus verschiedenen Komponenten.
Die Solarstrom-Anlage
Eine Solarstrom-Anlage besteht aus den Solarmodulen, die aus Sonnenenergie Gleichstrom erzeugen, dem Wechselrichter, der diesen Gleichstrom in den bekannten 230 Volt Wechselstrom umwandelt, den Zählern, die den eingespeisten Strom messen, der Verkabelung und den Montagegestellen. Um die Leistungsfähigkeit der Anlage voll auszuschöpfen, werden die Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt und optimal an die baulichen Gegebenheiten des Einsatzortes angepasst.
Bauliche Voraussetzungen
Für eine Photovoltaik-Anlage benötigen Sie lediglich ein geeignetes Dach - egal ob Flachdach oder Schrägdach. Wichtig ist vor allem, dass die Fläche unverschattet ist. Das Schrägdach sollte möglichst nach Süden ausgerichtet sein, einen Neigungswinkel zwischen 25° und 35° aufweisen und über eine Montagefläche von mindestens 12m² verfügen. Bei einem Flachdach sollte die Fläche mindestens 20m² betragen.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, daß es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
