Funktion der Photovoltaikanlage

In der Solarzelle trifft Licht auf eine speziell behandelte Siliziumscheibe und erzeugt einen elektrischen Stromfluss. Der so gewonnene Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom gewandelt und kann dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Grafik kann durch Klick vergrößert werden!

Infografiken

Produktionsschritte eines Solarmoduls

Rohsilizium

Ziehen des Einkristalls aus der Siliziumschmelze

Besäumen des Einkristalls

Scheiben sägen

Phosphor-Diffusion

Siebdruck der Leiterbahnen

Solarzelle

Verketten

Laminieren

Rahmung

Solarmodul

Der solare Ertrag ist von der Ausrichtung und Neigung abhängig

Der Ertrag einer Solarstromanlage hängt davon ab, wie die Solarmodule zur Sonne ausgerichtet sind. Übers Jahr ist der Stromertrag am höchsten, wenn sie nach Süden orientiert in einem Winkel von etwa 30° zur Horizontalen aufgestellt werden. Doch auch bei einer Abweichung von der optimalen Ausrichtung vermindert sich die Stromausbeute nur geringfügig. Ist das Dach nach Süd-West oder Süd-Ost orientiert, reduziert sich der Ertrag nur um etwa 5 %. Das gleiche gilt auch für den Neigungswinkel. Bei den typischen Dachneigungen von 45° bis 60° reduziert sich der Ertrag nur um maximal 10%. Selbst bei senkrechter Montage in der Fassade, werden bei südlicher Ausrichtung noch 70 % des optimalen Ertrags erreicht.

 

Damit sie möglichst viel Strom liefert, benögtigt die Photovoltaikanlage ausreichend Licht. Daher dürfen Nachbargebäude, Schornsteine oder Bäume die Anlage nicht beschatten. Aufgrund der Verschaltung der Module kann die Abschattung eines kleinen Teils eines Moduls die Leistung der ganzen PV-Anlage deutlich reduzieren. Deshalb sind auch kleine Schatten, z.B. durch Zweige, zu vermeiden.

Bei einem Gebäude mit Flachdachaufständerung ist zu berücksichtigen, dass hintereinander aufgestellte Solarmodulreihen ebenfalls Schatten werfen. Ausreichend Abstand zwischen den einzelnen Modulen verhindert dies.

Aufbau einer Solarzelle

Die Solarzelle

95 % aller Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Silizium ist nichts anderes als Quarzsand, eines der häufigsten Element der Erde, ähnlich unerschöpflich wie die Sonne. Damit aus Sand eine Siliziumscheibe wird und aus dieser Strom fliesen kann, muss das Silizium hoch gereinigt und kristallisiert werden. Dann wird es in Scheiben gesägt, gezielt verunreinigt und mit Leiterbahnen zum Stromtransport versehen.

Nur so fließt auch Strom

Fällt Licht auf eine Siliziumscheibe, werden Elektronen freigesetzt. Damit diese genutzt werden können, wird die Zelle auf der Vorder- und der Rückseite mit unterschiedlichen Fremdatomen, z.B. Bor und Phosphor, gezielt verunreinigt. Dadurch wandern die Elektronen alle auf eine Seite und die positiven Ladungsträger auf die andere. Es entsteht ein Plus- und ein Minuspol wie in einer Batterie. Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom.

Selbst geringe Lichtstärken, wie sie bei bewölktem Himmel auftreten, werden in der Solarzelle in Strom umgesetzt. Die Stromstärke ist allerdings proportional zur Lichtstärke - je mehr Sonnenschein, desto mehr Solarstrom. Die Spannung bleibt dagegen fast unverändert.

Eine Siliziumzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,6 Volt. Die Stromstärke hängt von der Größe der Zelle ab. Die typischen Solarzellen mit einer Größe von 15 cm x 15 cm erzeugen etwa 5,5 Ampere Strom. Eine einzelne Zelle hat bei voller Bestrahlung eine Leistung von etwa 3,4 Watt. In einer 1 kWp-Anlage sind somit etwa 300 Solarzellen verschaltet.

Folgende Modultechnologien werden derzeit bevorzugt genutzt:

Monokristalline Solarzelle: Siliziumsolarzellen werden üblicherweise aus Säulen oder Blöcken in 0,25 mm dicke Scheiben gesägt. Eine Säule, die aus einem einzigen Kristall besteht, wird aus flüssigem Silizium gezogen. Die daraus gefertigten Solarzellen nennt man monokristallin. Ihr Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erreicht 14-16 %.

Polykristalline Solarzellen: Wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen, ergibt sich bei der Erstarrung die typische Eisblumenstruktur aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen. Die daraus hergestellten Zellen werden als polykristallin bezeichnet. Ihr Wirkungsgrad beträgt 13-15 %.

Dünnschichtsolarzellen: In den letzten Jahren werden verstärkt Dünnschichtsolarmodule entwickelt, die eine kostengünstige Option zur Nutzung der Sonnenenergie darstellen, da sie extrem wenig Halbleitermaterial benötigen und in Zukunft in hochautomatisierten Produktionsanlage in großen Mengen hergestellt werden können.

Hierbei werden die photoaktiven Halbleiter als dünne Schichten auf Glasscheiben aufgebracht, dort direkt zu Modulen verschaltet und mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt. Am weitesten verbreitet sind die amorphen Siliziumzellen, die in Taschenrechnern und anderen Kleingeräten Anwendung finden. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 6-8 %. Mit neuen Materialien, wie beispielsweise Cdt (Cadmium-Tellurid) und CIS (Kupfer-Indium-Diselenid), wurden Dünnschichtsolarmodule mit höherem Wirkungsgrad (8-10 %) entwickelt.

Die genannten Wirkungsgrade werden unter Standart-Testbedingungen bestimmt, d.h. bei einer Globalstahlung 1.000 W/m² bei 25 °C Modultemperatur sowie einem Spektrum des Sonnenlichtes entsprechend Air Mass 1,5. Im praktischen Betrieb ändern sie sich leicht, da beispielsweise der Wirkungsgrad der Solarzellen bei steigender Temperatur etwas sinkt.