Solaranlage Funktion

Die Photovoltaik basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln. Wenngleich das grundlegende physikalische Prinzip seit Langem bekannt ist, ist die technische Entwicklung der Solarzellen längst noch nicht abgeschlossen, weitere Verbesserungen sind in Zukunft zu erwarten.

Halbleiter verdanken ihre Bezeichnung der Eigenschaft, dass sie sich sowohl wie ein elektrischer Leiter als auch wie ein Nichtleiter verhalten können. In einer Solarzelle wird das nicht leitende Material dadurch zu einem Leiter, dass die Elektronen durch die Absorption eines Photons aus dem nicht leitenden Kristallverbund gelöst werden. Die Bewegungsenergie, die sie dabei aufnehmen, bildet den erzeugten Strom. Die Energie des Photons muss dazu in einem materialabhängigen Intervall liegen, das exakt begrenzt ist. Photonen mit zu viel oder zu wenig Energie tragen zur Stromerzeugung nicht bei. Die Energie eines Photons ist direkt proportional zu seiner Frequenz.

Daher bedeutet dies, dass der nutzbare Teil des Lichtspektrums begrenzt ist. Die Suche nach neuen Materialien, die das heute meist verwendete Silizium ersetzen sollen, wird weltweit intensiv betrieben. Im Fokus stehen dabei zwei Eigenschaften, die diese neuen Materialien aufweisen sollten. Erstens soll der nutzbare Teil des Lichtspektrums möglichst groß sein. Zweitens soll die so genannte Rekombinationsrate möglichst gering sein. Diese gibt an, wie schnell die Elektronen spontan wieder aus dem leitenden in den nicht leitenden Zustand zurückfallen. Der heute noch geringe Wirkungsgrad der organischen Photovoltaik hängt damit zusammen, dass diese Rekombinationsrate in organischen Halbleitern vergleichsweise hoch ist.

Eine Solarzelle erzeugt Gleichstrom, der vor der Nutzung oder Einspeisung ins Netz in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Meist wird dazu nur ein Wechselrichter installiert, der den Strom aus allen Photovoltaik Modulen umwandelt. Möglich ist auch, für jedes Solarmodul der Anlage einen eigenen Wechselrichter zu nutzen. Im Prinzip wird die Photovoltaikanlage dadurch in eine Vielzahl kleiner Anlagen aufgeteilt, die unabhängig voneinander arbeiten. Das hat den großen Vorteil, dass ein schadhaftes oder im Schatten liegendes Modul die anderen nicht beeinträchtigt, was ansonsten der Fall ist. Allerdings sind die Kosten deutlich höher und die Verkabelung erheblich komplizierter. Zu finden sind auch Kompromisslösungen zwischen beiden, bei denen sich einige Module einen Wechselrichter teilen.

Nahezu alle Photovoltaikanlagen sind in Deutschland ans Stromnetz angeschlossen. Inselanlagen ohne Kontakt zum allgemeinen Stromnetz sind deutlich häufiger in Ländern anzutreffen, in denen die Photovoltaik genutzt wird, um Dörfer mit Strom zu versorgen, die nicht an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind. Der Kontakt zum Stromnetz verursacht Probleme, weil das Netz die schwankende Leistung der Photovoltaik irgendwie ausgleichen muss. Inselanlagen sind heute nur dort sinnvoll, wo der erzeugte Strom ständig sofort verbraucht werden kann. Effektive Stromspeicher können das in Zukunft ändern.

Die Photovoltaik birgt noch enorme Verbesserungspotenziale. Die Herstellung von Silizium ist extrem energieaufwändig und damit teuer. Ein erstes Ziel besteht in der Entwicklung preiswerterer Materialien, die zumindest die gleiche Leistung bieten. Die Einsatzmöglichkeiten der Photovoltaik können erheblich verbreitert werden, wenn effiziente Stromspeicher zur Verfügung stehen.