Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Photovoltaikanlagen bestehen aus einer Anzahl an Photovoltaik-Modulen, die wiederum aus Photozellen bzw. Solarzellen bestehen. In den Solarzellen wird das einfallende Sonnenlicht in Strom umgewandelt. Das Licht besteht aus Photonen, den Trägern der elektromagnetischen Strahlung. Das Photon, auch als Lichtquant oder Lichtteilchen bezeichnet, hat zwar keine Masse aber eine Energie. Diese Energie ist dafür verantwortlich, dass beim Auftreffen des Photons auf Halbleitern oder Metallen Elektronen aus den Strukturen herausgelöst und somit frei beweglich werden (photoelektrischer Effekt). Liegt ein äußeres Potential, eine Spannung an, kommt es zum Stromfluss.

Wie entsteht Strom aus Sonnenlicht?

Die Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das aus verschiedenartig aufgebauten Halbleiterschichten besteht. Meist handelt es sich um hochreines Silizium, das gezielt mit anderen chemischen Elementen „verunreinigt“ wurde. Dabei wird eine Schicht mit einem Mangel an Elektronen und eine Schicht mit einem Überschuss an Elektronen geschaffen. Dort wo sich die beiden Schichten berühren, entsteht eine Grenzschicht, in die Elektronen einwandern, um den „Mangel“ auszugleichen. Mit den Elektronen wird die Ladung verschoben und es entsteht ein Plus- und ein Minuspol in der Zelle. Treffen Photonen auf die Grenzschicht werden die Elektronen aktiviert und sie wandern zum Pluspol. Wird zwischen den beiden Schichten der Stromkreis geschlossen, kann ein Strom fließen, Lichtenergie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine geringe elektrische Leistung. Deshalb schaltet man viele Solarzellen in Serie oder parallel zu einem Modul zusammen. Im Modul liegen die dünnen, zerbrechlichen Solarzellen hinter Glasscheiben geschützt. Glas-Glas-Module verhindern durch ihren Aufbau eine Beschädigung der Solarzellen aufgrund der Durchbiegung der Module, wie sie z.B. infolge von Schnee oder starkem Wind auftritt.

Solarzelle - Solarmodule - Photovoltaikanlage

Durch die Verbindung mehrerer Solarmodule lässt sich die Leistung und damit die Menge an erzeugbarem Solarstrom entsprechend vergrößern. Man geht davon aus, dass Solarmodule mit einer Fläche von 6 Quadratmetern etwa 1 kWp erzeugen können (Faustformel). Die Sonneneinstrahlung liegt in Deutschland bei jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter und ist im Sommer etwa 5-mal höher als im Winter. Wo die Einstrahlung am höchsten ist, erfahren Sie hier.

Photovoltaische Bauteile erzeugen grundsätzlich immer Gleichstrom, die meisten elektrischen Geräte im Haushalt laufen mit Wechselstrom. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom ist Aufgabe des Wechselrichters, der auch als Netzeinspeisegerät bezeichnet wird.  Neben den Solarmodulen und dem Wechselrichter gehören Unterkonstruktion, Verkabelung, Anschlusselektrik und Zähler für die Abrechnung zur Photovoltaikanlage. Erweitert werden kann die PV-Anlage zudem um ein Energiemanagementsystem, das den Verbrauch steuert, sowie um einen Stromspeicher.