Vom photovoltaischen Effekt zum fertigen Solarmodul

Die Photovoltaik (PV) ermöglicht es, Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Umwandlung erfolgt durch den photovoltaischen Effekt. Der Name des Effektes kommt von "Photo" für Licht und "Volt" für Spannung. Der Apparat, in dem dieser Effekt ausgenutzt wird, heisst Solarzelle (oder Photovoltaik-Zelle).

Die Solarzelle besteht aus einer negativen und positiven Silizium-Schicht. Durch die Sonneneinstrahlung wird der Elektronenfluss in Gang gesetzt.

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, das aus normalem Sand gewonnen wird. Zuerst muss das Silizium ganz rein gemacht werden.
Damit Sonnenlicht Strom zum Fliessen bringen kann, braucht es aber noch etwas mehr: Man muss in die Silizium-Kristalle bestimmte Fremdatome einschleusen. Zum besseren Verständnis vergleiche nun am besten die Grafik. Dort siehst du zwei Schichten. Die eine Schicht ist mit solchen Fremdatomen (genau genommen: Bor-Atome) bestückt, damit (wegen Elektronenmangel) eine positive Ladung entsteht. Das ist die p-Schicht. In der zweiten Schicht bewirken andere Fremdatome (nämlich Phosphor) eine negative Ladung, weil sie Elektronen mitbringen. Das ist die n-Schicht.

	Photovoltaik liefert umweltfreundlichen Strom ohne CO2 zu produzieren.

Erst das Zusammenspiel der N- und der P-Schicht ermöglicht den photovoltaischen Effekt. Bei konstanter Lichteinstrahlung wirkt eine Solarzelle wie eine Batterie.

Die Solarzellen werden dann aneinander gehängt, damit sich die Spannung der einzelnen Zellen addiert. Dadurch entsteht ein Solarmodul mit einer Spannung von meist 24 Volt.

Heute sind auf dem Markt vor allem zwei Arten von Solarzellen im Einsatz: die mono-/polykristallinen und die amorphen Solarzellen. Der Unterschied liegt vor allem im Wirkungsgrad und dem Herstellungspreis. Der Wirkungsgrad, d.h. der Anteil der einstrahlenden Energie, der in Strom umgewandelt werden kann, wird unter Standard Bedingungen gemessen (senkrechte Einstrahlung von 1000W/m2 bei 25°C).

Amorphe Dünnschichtzellen haben einen Wirkungsgrad von 6 - 10%, polykristalline Siliziumzellen liegen bei 12 - 16%, Monokristalline Siliziumzellen erreichen schon einen Wirkungsgrad von 20%! Erwartet werden in naher Zukunft Wirkungsgrade von 25% bis 30%.

Die Herstellung von mono- und polykristallinen Solarzellen ist noch sehr aufwändig und entsprechend teuer. Die amorphen Solarzellen (Silizium ohne Kristallstruktur) sind sehr viel billiger herzustellen. Diese werden schon lange bei Uhren, Taschenrechner oder anderen Kleinstgeräten verwendet. Grössere Anwendungen sind langsam am kommen (z.B. Projekt in Wiesendangen) - der steigende Siliziumpreis macht siliziumarme Zellen immer beliebter.

Im Hintergrund sieht man die 111te JSP-Anlage (Sommer '05, 40kWp).

Um theoretisch über ein Jahr gemittelt den gesamten Schweizer Atomkraftwerk-Strom zu ersetzen, bräuchte man ca. 21m² der effizientesten auf dem Markt erhältlichen Solarzellen pro Kopf (Monokristalline Zellen von SUNPOWER, gerechnet mit einem Bedarf von 8000 kWh Stromendverbrauch pro Kopf und Jahr (2005) - davon 40% Atomkraftanteil, einem Wirkungsgrad der Solarzellen von 20%, einer Globalstrahlung von 1200 W/m2 und einem Ertrag von 850 kWh/kWp). Die 21 Quadratmeter sollen nur eine Idee geben, um was für Dimensionen es geht. Praktisch gesehen bräuchte es mehr Solar-Fläche pro Kopf, da die Frage der Energiespeicherung für den Ausgleich von Tag / Nacht, Sommer / Winter und Wetterphasen noch nicht gelöst ist. Ideen, wie das Problem gelöst werden könnte existieren schon! Mehr dazu: Die Sonne als Teil eines zukünftigen Energiesystems.