Wie funktioniert eigentlich Photovoltaik?
Von Johanna Seifert
Wenn man mal aufmerksam durch das Land fährt, dann sieht man, dass es viel mehr Solaranlagen gibt als noch vor ein paar Jahren. Viele davon sind auf den Dächern verbaut, aber auch in Solarparks an Autobahnen, Eisenbahnen oder auf freier Fläche. Sogar schwimmende Anlagen gibt es. Die installierte Leistung an Photovoltaikanlagen ist absolut auf 1667 Megawatt-Peak (2018) gestiegen. Der Anteil Solarstrom vom insgesamt produzierten Strom liegt bei über sieben Prozent. Der Anteil von Solarstrom an der Energiegewinnung durch erneuerbare Energien ist jedoch gesunken, weil es mehr Windenergie gibt. Aber wie funktioniert das eigentlich – Photovoltaik?
Im Wesentlichen besteht eine Photovoltaikplatte aus einer Laminierung, in die die einzelnen Solarzellen eingelassen sind. Darauf kommt eine Glasabdeckung, welche die Solarzellen mechanisch schützt und dafür sorgt, dass möglichst viel Licht durchdringt. Auf die Unterseite wird eine Rückseitenfolie geklebt, die als Isolator und Feuchtigkeitsschutz dient. Umrandet wird das Ganze noch mit einer Dichtung und einem Modulrahmen aus Metall.
Die meisten Solarzellen, etwa 95% aller Zellen, bestehen aus zwei Siliziumschichten, die unterschiedlich dotiert sind. Dotierung meint im Prinzip die gezielte Verunreinigung mit Fremdatomen. Dadurch entsteht jeweils eine n-dotierte Schicht (mit einem Überschuss an negativen Ladungsträgern) und eine p-dotierte Schicht (mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern). Dotierungsmittel können zum Beispiel Bor, Arsen oder Phosphor sein. An der Grenze dieser beiden Schichten, am sogenannten p-n-Übergang fließt bei Lichteinstrahlung ein Gleichstrom, wobei die entstehende Spannung über Kontakte abgenommen wird.
Die kleinen Zellen sind so funktional, dass sie sogar bei geringen Lichtstärken, wie sie beispielsweise bei schlechtem Wetter oder bewölktem Himmel auftreten, Strom erzeugen können. Jedoch ist die Stromstärke immer proportional zur einfallenden Lichtstärke. Analog bedeutet das:
Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Solarstrom wird durch die Solaranlage produziert.
Unabhängig vom Lichteinfall oder der Sonneneinstrahlung verhält sich jedoch die Spannung der Solarzelle. Die Spannung einer Siliziumzelle liegt kontinuierlich bei 0,6 Volt. Abhängig von der Größe der Zelle ist jedoch die Stromstärke. Eine gängige Solarzelle mit einem Maß von 15x15 Zentimetern erzeugt im Durchschnitt etwa 5,5 Ampere Strom. Bei vollem Lichteinfall hat eine einzelne Zelle in etwa eine Leistung von 3,4 Watt.
Die Funktion von Photovoltaikanlagen ist grundsätzlich gleich, egal ob eine kleine Solaranlage auf dem Einfamilienhaus oder eine Industrieanlage.
Während Licht auf die Solarzellen fällt, erzeugen diese daraus Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind zu größeren Solarmodulen verschaltet. Die Summe der Module liefern den Strom an den Wechselrichter. Dieser formt aus dem Gleichstrom den im europäischen Netz üblichen Wechselstrom mit 50 Hz. Dies muss absolut synchron zum Netz erfolgen. Aus diesem Grund besitzen Wechselrichter auch eine Eigenüberwachung, die dem Netzbetreiber garantiert, dass sein Netz und die Strom-Lieferung nach dem Frequenzumformer sich gegenseitig unterstützen. Nur so kann der gewonnene Strom auch genutzt werden. Vor und nach dem Wechselrichter sitzen Sicherungen. Diese dienen dem kontrollierten Abschalten der Spannung. Nur so ist der Personenschutz im Wartungs- und oder Ereignisfall gewährleistet. Die Sicherungen erhalten noch idealerweise eine Fernauslösung. Im Brandfall kann so die Feuerwehr die Spannungsquelle abschalten.
Dank der Umwandlung kann der Wechselstrom direkt ins öffentliche oder privat genutzte Stromnetz eingespeist werden und so können die eigenen Stromkosten gesenkt werden. Das Eigennetz beinhaltet für gewöhnlich die Summe der eigenen Verbraucher und eine oder mehrere Batterien, die den aktuell nicht benötigten Strom speichern. Beide Einspeisungen erfolgen über Zähler aufgrund der unterschiedlichen Vergütung.
Ein wichtiger Aspekt im Photovoltaikkontext ist die Leistungsfähigkeit des PV-Systems. Denn je mehr Leistung diese Technologie erbringen kann, desto höher fallt die solar erzeugte Strommenge aus und desto mehr Einspeisevergütung kann gesichert werden.