Photovoltaik
Im Unterschied zur Solarthermie lässt sich elektrischer Strom auch direkt aus Sonnenstrahlung gewinnen. Der zugrundeliegende physikalische Vorgang ist der photovoltaische Effekt, ein Spezialfall des inneren Photoeffekts. Hier wird die Energie des auf die Grenzschicht einer Diode auftreffenden Lichts in Form von Photonen von Elektronen aufgenommen, die sich dann aus der Kristallbindung lösen können und zum Pluspol der Grenzschicht wandern. Es entsteht dann eine der Durchlassrichtung der Diode entgegengesetzt gerichtete Spannung. Das Grundmaterial dieser als Solarzellen fungierenden Dioden ist im einfachsten Fall kristallines Silizium, das in der einen Schicht z.B. mit dreiwertigen Bor- oder Alumium-Atomen „verunreinigt“ (dotiert) ist (p-Schicht), in der anderen mit fünfwertigen Phosphor- oder Arsen Atomen (n-Schicht). Durch Hintereinanderschaltung der Zellen lässt sich die entstehende Photospannung vervielfachen.
Für genauere Informationen vgl.
mehr: Solarstromerzeugung.de: Grundlagen Solarzelle
mehr: Wikipedia: Solarzelle
Es gibt heute verschiedene Typen von Solarzellen, die sich in Herstellungsart, Herstellungskosten und Wirkungsgrad zum Teil erheblich unterscheiden. Beispiele:
- Dickschichtzellen (Dicke etwa 10μm) wie
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- monokristalline Silziumzellen (Wirkungsgrad über 20%)
- polykristalline Zellen (Wirkungsgrad etwas über 15%)
- Dünnschichtzellen (Dicke etwa 0,1μm) wie
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- amorphe Siliziumzellen (ASI) (Wirkungsgrad etwa 7%)
- Galliumarsenid-Zellen (GaAs) (Wirkungsgrad von fast 30%, im Labor bis 41,1%, aber sehr teuer)
- CdTe-Zellen (Wirkungsgrad etwa 10%, im Labor bis 20%)
- Kupfer-Indium-Diselenid-Zellen(CIS), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Zellen (CIGS) (Wirkungsgrade über 17%, im Labor 22,6% (Stand Juni2016), sehr teuer wegen des Indiums)
In der Praxis werden heute für Solarmodule vor allem Dickschichtzellen eingesetzt.
Leistung von Solarzellen
Kilowattpeak (kWp) – dieses Maß wird als Einheit für die Leistung einer Photovoltaikanlage genannt und gleichzeitig als Charakterisierung einer Photovoltaikanlage, die "soundso viel kWp Leistung bringt".
Mit der sogenannten Peakleistung wird die Leistung von Solarmodulen unter den sogenannten STC (standardised test conditions, standardisierte Testbedingungen) beschrieben. Diese sind:
1000 Watt Solarstrahlung pro Quadratmeter bei 25° C Umgebungstemperatur und einer Luftmasse (AirMass) von AM1,5. Die Luftmasse AM1,5 bedeutet, dass der Lichtweg des Sonnenlichts durch die Atmosphäre 1,5 mal so lang ist wie bei senkrechtem Einfall. Das ist der Fall bei einem Einfallswinkel von etwa 48° gegenüber der Senkrechten. Der tatsächliche AM-Wert ist von der geographischen Breite, der Jahres- und der Tageszeit abhängig und schwankt in Deutschland zwischen 1,1 und 4. Die Länge des Lichtwegs beeinflusst sowohl die Lichtleistung wie auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts.
Die STC werden allerdings in der Realität praktisch nicht erreicht. Wenn alle anderen Parameter stimmen, ist die Temperatur der Solarzellen deutlich höher als 25°C, was die erreichbare Leistung herabsetzt.
Die tatsächliche Peakleistung einer Solaranlage hängt von drei Dingen ab:
- vom Standort,
- von der Qualität der Solarmodule, die installiert wurden,
- von der Anzahl der Module bzw. der Größe der Anlage.
Sie lässt sich bei Kenntnis aller Parameter mathematisch ermitteln.
Für Deutschland gilt als grober Näherungswert, dass mit einer Anlage von 1 kWp an günstigen Standorten jährlich etwa 900 Kilowattstunden an Strom erzeugt werden können. Als Maß für die Güte der Solarmodule dient am einfachsten die Größe der dafür benötigten Fläche. Der Flächenbedarf für eine 1Kilowattpeak-Anlage schwankt zur Zeit zwischen 6 m² und 10 m².
mehr: photovoltaikbuero.de: Die Verwirrung um das Watt-Peak
Preisentwicklung
Durch die Steigerung des Wirkungsgrads der Solarmodule, die gleichzeitige Senkung der Herstellungskosten und den durch die Verringerung der Einspeisevergütung entstehenden Preisdruck sind die Kosten für diese Module stark gefallen. Gleichzeitig waren auch die Preise für Wechselrichter rückläufig, wenn auch nicht im gleichen Maß. Das hat dazu geführt, dass die Preise für Solaranlagen im Zeitraum von 2006 bis 2013 um etwa zwei Drittel gefallen sind – von knapp 5000 €/kWp etwa auf etwa 1700 €/kWp, Tendenz weiter fallend.
Experten gehen davon aus, dass sich diese Entwicklung fortsetzt und die Kosten sich in den nächsten 10 bis 15 Jahren nochmals halbieren.
mehr: solaranlagen-portal: Preisentwicklung für Photovoltaik-Anlagen
mehr: SolarServer (2015): Solarstromanlagen werden bis 2030 fast um die Hälfte billiger
Wechselrichter
Solarmodule erzeugen Gleichstrom. Damit dieser Strom eingespeist oder im Haushalt genutzt werden kann, muss er in Wechselstrom mit einer Spannung von 230 Volt und einer Frequenz von 50 Hertz umgewandelt werden. Diese Aufgabe wird von sogenannten Wechselrichtern übernommen. Sie sorgen gleichzeitig dafür, dass die einspeisenden Solarmodule jederzeit die optimale Leistung abgeben und schützen die Anlage vor Spannungs- und Frequenzschwankungen im Netz. Gute Wechselrichter besitzen heute Wirkungsgrade von bis zu 99%, arbeiten also fast verlustfrei.
mehr: SMA Solar: Was macht eigentlich ein Solar-Wechselrichter?
Bild 1: ENERGIEPOINT.de, Wie funktioniert eine solarzelle
Bild 2: pixaby.com, Creative Commons CC0
Bild 3: BSW Solar, Infografiken (download 2015): Preisentwicklung Solar-Aufdachanlagen
Bild 4: SMA Solar Technology AG, Was macht eigentlich ein Solar-Wechselrichter?