Photovoltaik – Sauberer Strom aus Sonnenlicht

Mittels Photovoltaik lässt sich die Sonnenenergie direkt in Elektrizität umwandeln. Doch wie genau entsteht Strom aus Sonnenlicht und welche Rolle spielt Photovoltaik beim Klimaschutz?
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    Ohne Elektrizität ist unser modernes Leben undenkbar. Mittels Photovoltaik lässt sich die Solarenergie direkt in Strom umwandeln. Mit dieser und den anderen erneuerbaren Energien will die Menschheit in naher Zukunft ihren gesamten Energiebedarf decken, ganz ohne Emission von Treibhausgasen.

    Was bedeutet Photovoltaik?

    Was bedeutet Photovoltaik?

    Das Wort „Photovoltaik“, kurz „PV“, setzt sich aus dem griechischen Wort „photos“ („Licht“) und dem Wort „Volt“ (Maßeinheit für elektrische Spannung) zusammen. Bei der Photovoltaik handelt sich um ein technisches Verfahren, bei dem Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

    Funktionsweise

    Wie funktioniert Photovoltaik?

    Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom erfolgt in den Solarzellen. Diese nutzen den sogenannten inneren photoelektrischen Effekt, der bereits im Jahr 1839 entdeckt wurde. Dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel war aufgefallen, dass bestimmte Materialien unter Sonneneinstrahlung eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Becquerel forschte mit Selen-Verbindungen. Heute verwendet man für Solarzellen oftmals gezielt mit Fremdatomen verunreinigtes (dotiertes) Silizium, aber auch Materialkombinationen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid oder CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid). Auch aus organischen Verbindungen lassen sich Solarzellen fertigen.

    Allen eingesetzten Materialien ist gemeinsam, dass es sich dabei um Halbleiter handelt. Mit diesem Ausdruck werden Festkörper bezeichnet, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der Leitfähigkeit von elektrischen Leitern (z.B. Eisen) und Nichtleitern (z.B. Glas oder viele Kunststoffe) liegt. Hinzu kommt, dass die Leitfähigkeit der Halbleiter bei steigender Temperatur ansteigt. 

    Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

    Für die Photovoltaik werden unterschiedliche Halbleiterschichten miteinander kombiniert. Wie dadurch Strom entsteht, soll am Beispiel einer Silizium-Halbeleiterzelle erläutert werden.

    Um photoelektrisch aktive Siliziumschichten zu erzeugen, wird das Silizium dotiert. Das heißt, in das regelmäßige Siliziumgitter werden unterschiedliche Fremdatome eingeschleust. Einmal kann das z.B. Phosphor (P) sein, das andere Mal Bor (B). Phosphor hat fünf Außenelektronen, also eins mehr als Silizium, Bor nur drei und damit eins weniger als Silizium. Das heißt, es entsteht eine Halbleiterschicht mit Elektronenüberschuss ("n-leitend") und eine mit Elektronenmangel (p-leitend). Werden die p und n-leitenden Schichten zusammengebracht, kommt es zu einem Ausgleich, in dem die Elektronen und die „Löcher“ aufeinander zuwandern und „rekombinieren“. Dabei bildet sich eine schmale, neutrale Grenzschicht, die von zwei geladenen Schichten eingefasst ist, einer positiven Bor-dotierten und einer negativen, mit Phosphor dotierten Schicht. Mit anderen Worten: An der Grenzschicht bildet sich ein elektrisches Feld.

    Wie wird aus Sonnenlicht Strom?

    Fällt Licht auf die Grenzschicht, werden negatives Elektron und positives Loch voneinander getrennt und durch das elektrische Feld zur jeweils anderen Seite ausgelenkt. Verbindet man die beiden geladenen Außenschichten der Solarzelle mit einem elektrischen Leiter, kommt es zu einem Stromfluss.

    Selbstverständlich sind die Spannung und der Strom, die eine einzelne Solarzelle produziert, sehr gering. Für kleinere Anwendungen wie eine Gartenlampe mag das genügen, aber erst durch das Zusammenschalten vieler Zellen lässt sich die Photovoltaik zur Energieerzeugung technisch nutzen. Ein Standard-Solarmodul bestand lange Zeit aus 60 Zellen, heute sind meist 144 Halbzellen im Einsatz. Für eine 10 kWp-Anlage sind – je nach Leistung – 25 bis 30 Module erforderlich.

    Wie hoch der Ertrag einer Photovoltaikanlage ist, hängt maßgeblich von der Technologie der eingesetzten Solarzellen ab. Auf Hausdächern werden meist Solarmodule mit kristallinen Zellen verbaut, die eine Wirkungsgrad von etwa 20% aufweisen. Dadurch lässt sich eine möglichst hohe Leistung auf der begrenzten Dachfläche erzielen. Die kostengünstigeren Dünnschichtmodule mit geringeren Wirkungsgraden kommen vor allem dort zum Einsatz, wo die Fläche nicht den limitierenden Faktor darstellt, so zum Beispiel bei Solar-Parks.

    Photovoltaik: Strom von der Sonne
    Anwendung

    Wo wird die Photovoltaik genutzt?

    Photovoltaik kommt in vielen Geräten des Alltags zum Einsatz, beispielsweise bei Taschenrechnern, Uhren, Solarleuchten oder Parkscheinautomaten. Die für den Betrieb nötigte Strommenge ist gering und lässt sich mit einigen wenigen Solarzellen erzeugen. Das ist auch der Grund dafür, dass es viele dieser Solar-Anwendungen schon seit Beginn der technischen Nutzung der Photovoltaik gibt, also in Zeiten, als die Zellen noch nicht so leistungsfähig waren.

    Aber auch Kühlboxen, Boote, Wohnmobile und sogar elektrische Gartengeräte können mit Solarzellen ausgestattet sein. Wichtigster Einsatz der Photovoltaik sind heutzutage jedoch leistungsfähige, netzgekoppelte Anlagen auf Privathäusern, Gewerbeimmobilien und öffentlichen Gebäuden

    Photovoltaik im privaten Haushalt

    Für private Anlagenbesitzer gibt es heutzutage ein großes Angebot an Photovoltaik-Lösungen. Als „Solar-Generator“ kommen vor allem Glas-Folie- und Glas-Glas-Module aufs Dach. 

    Eine Eigenheit der Photovoltaik besteht darin, dass sie ausschließlich tagsüber Strom erzeugt (übrigens auch bei Wolken und diffusem Licht). Das heißt, die solare Energie steht vor allem dann zur Verfügung, wenn die meisten Menschen nicht zuhause sind, sondern auf Arbeit, in der Schule oder an der Universität. Morgens und abends, wenn der Stromverbrauch am höchsten ist, erzeugen Solarzellen hingegen vergleichsweise wenig Elektrizität. Das ist auch der Hauptgrund dafür, warum die meisten Haushalte trotz PV-Anlage mit dem Netz verbunden bleiben und nicht als sogenannte Inselanlage funktionieren. Tagsüber kann überschüssiger Strom gegen eine Einspeisevergütung ins öffentliche Netz eingespeist, abends kann Netzstrom zum ortsüblichen Tarif bezogen werden.

    Da die Preise für Netzstrom aber kontinuierlich steigen und die Einspeisevergütung niedrig ist, ist es heute besonders lukrativ, möglichst viel vom eigenen Solarstrom selbst zu verbrauchen. Der Eigenverbrauch lässt sich beispielsweise durch den Einsatz einer Wärmepumpe steigern, durch den gezielten Betrieb von Geräten wie einer Waschmaschine bei ausreichend vorhandenem Solarstrom oder auch mit einem Stromspeicher, die überschüssigen Strom speichert und ihn so auch für die Abendstunden nutzbar macht.

    Wer selbst kein eigenes Haus besitzt oder wem das Geld für eine große PV-Anlage fehlt, der kann die Photovoltaik trotzdem nutzen. Seit 2018 sind in Deutschland sogenannte Balkonkraftwerke zugelassen. Dabei handelt es sich um Solarmodule, die mit einem Schutzkontakt-Stecker und einem Wechselrichter ausgestattet sind. Diese Stecker-Module lassen sich auf dem Balkon, der Terrasse oder an der Hausfassade installieren. Der selbst produzierte Strom wird in das Wohnungsnetz eingespeist, wo er direkt nutzbar ist. Die Installation ist einfach, allerdings erfordern auch diese Kleinst-PV-Anlagen eine Anmeldung beim Netzbetreiber und beim Marktstammdatenregister.

    Gute Gründe, Photovoltaik zu nutzen - Die Vorteile

    Dank Photovoltaik können Nutzerinnen und Nutzer günstigen Strom selbst produzieren und so den Geldbeutel entlasten. Aber auch die Umwelt profitiert, denn für Strom- oder Wärmegewinnung müssen keine fossilen Energieträger verbrannt werden.

    Alle Vorteile der Photovoltaik im Überblick:

    • Sonnenenergie ist frei verfügbar und kostet nichts.
    • Photovoltaik arbeitet emissionsfrei und geräuschlos.
    • Photovoltaik ermöglicht eine unabhängige Energieversorgung.
    • Mittels Stromspeicher lässt sich die Photovoltaik auch nachts nutzen.
    • Wer Photovoltaik einsetzt, erfüllt jetzt schon zukünftige gesetzliche Auflagen (Stichwort: Solardachpflicht)
    • Solarstrom kann vielseitig genutzt werden, so zur Beheizung des Hauses und zur Warmwasserbereitung.
    • Die Größe einer Photovoltaikanlage lässt sich auf den individuellen Strombedarf abstimmen. Auch nachträgliche Erweiterungen sind zumeist möglich.
    • Photovoltaikanlagen haben eine lange Lebensdauer von 20 Jahren und mehr.
    • Photovoltaikanlagen sind wartungsarm.
    • Für die Installation einer Photovoltaikanlage können Fördermittel in Anspruch genommen werden.
    Photovoltaik auf Hausdach
    Klimaschutz

    Welche Rolle spielt die Photovoltaik für den Klimaschutz?

    Im Vergleich zu allen anderen Formen der Energiegewinnung schneidet die Photovoltaik hinsichtlich ihrer Klimawirkungen gut ab. Anders als bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe entstehen hier keine Treibhausgase im Betrieb. Selbstverständlich müssen Solarzellen und Solarmodule hergestellt werden und hierbei werden Ressourcen verbraucht und es fällt CO₂ an. Allerdings amortisiert sich eine Photovoltaikanlage nach ca. 2 Jahren energetisch, d.h., die zu ihrer Produktion benötigte Energie wird wieder eingespielt. Beim Einsatz fossiler Rohstoffe wird dieser Punkt nie erreicht, da ständig neue Energie in Form von Brennstoffen zugeführt werden muss.

    Einen positiven Beitrag hinsichtlich des Klimaschutzes leistet die Photovoltaik auch dadurch, dass für die Module nur wenige seltene und schwer zu gewinnende Rohstoffe eingesetzt werden – den Hauptteil macht Silizium aus, das aus Sand erzeugt wird.

    Im Einsatz, das heißt vor allem auf dem Dach, benötigt die Photovoltaik keinen zusätzlichen Platz und hat keine negativen Auswirkungen auf z.B. Vögel oder Insekten. Großanlagen wie Solar-Parks werden häufig auf landwirtschaftlich nicht oder nur schwer nutzbaren Flächen errichtet, so dass sie nicht in Konkurrenz zur Nahrungs- oder Futtermittelproduktion stehen. Mit der Agri-Photovoltaik erlebt zudem gerade eine Kombination beider Nutzungsformen einen Aufschwung. Die auf hohen Gestellen angebrachten Module bieten neben der Stromerzeugung den darunter angebauten Pflanzen Schutz vor zu viel Sonne, so dass auch empfindlichere Arten angebaut werden können. Auch schwimmende PV-Anlagen auf alten Baggerseen oder industriell genutzten Gewässern haben positive Effekte. So sorgt die teilweise Abschirmung für einen geringere Erwärmung des Wassers und minimiert so auch das übermäßige Wachstum von Pflanzen, die dem Gewässer Sauerstoff entziehen.

    Photovoltaik - Energie mit Potential

    Die Umgestaltung der Energieversorgung im Rahmen der Energiewende sieht vor allem Windkraft und Photovoltaik als Hauptlieferanten für unseren Strom vor. Bisher ist der Solar-Anteil mit ca. 9% am Strombedarf und ca. 2% am Gesamtenergiebedarf in Deutschland noch eher gering. Ein weiterer, beschleunigter Ausbau der Photovoltaik ist auf dem Weg zu einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung somit unbedingt erforderlich. Das gilt auch deshalb, weil im Rahmen der Sektorkopplung fossile Energieträger für Wärmeerzeugung und Verkehr durch erneuerbaren Strom ersetzt werden müssen.

    Zusammen haben die beiden erneuerbaren Energieträger Wind und Sonne, unterstützt durch zusätzliche Speichereinrichtungen das Potential (siehe zum Beispiel unsere Einstrahlungskarte), unsere Versorgung sicherzustellen. Und insbesondere die Photovoltaik ermöglicht es allen Interessierten, unter Einsatz überschaubarer finanzieller Mittel selbst einen Beitrag zur Energiewende zu leisten. Photovoltaik kann fast überall eingesetzt werden und die Technik unterstützt den dezentralen Ansatz, das heißt, dass die Energie möglichst dort vor Ort erzeugt wird, wo sie auch verbraucht wird. Das spart nicht nur Kosten, sondern minimiert Energieverluste bei Transport und Umwandlungen. Die Photovoltaik ist somit ein essenzieller Baustein für eine nachhaltige Energieversorgung und eine tragende Säule für den Klimaschutz.