Photovoltaik-Technologie verstehen

Grundprinzipien der Photovoltaik

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht („Phos“) und der Einheit für elektrische Spannung („Volt“) zusammen. Er beschreibt die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Dieser Prozess basiert auf dem photoelektrischen Effekt, der erstmals von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt und später von Albert Einstein theoretisch erklärt wurde.

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, regen die Photonen die Elektronen im Halbleitermaterial (meist Silizium) an. Diese Anregung löst die Elektronen aus ihren Atombindungen, wodurch sie sich frei bewegen können. Durch ein künstlich erzeugtes elektrisches Feld im Inneren der Zelle werden die Ladungsträger gerichtet bewegt – es fließt Gleichstrom.

Aufbau einer PV-Zelle

Das Herzstück jeder Solaranlage ist die Solarzelle. Eine typische kristalline Silizium-Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten:

• n-dotierte Schicht: Diese dünne obere Schicht ist mit Phosphor angereichert, was zu einem Überschuss an Elektronen (negative Ladung) führt.
• p-dotierte Schicht: Die dickere untere Schicht ist mit Bor versetzt, was zu einem Mangel an Elektronen bzw. einem Überschuss an „Löchern“ (positive Ladung) führt.

An der Grenzschicht zwischen diesen beiden Bereichen bildet sich der sogenannte p-n-Übergang. Hier entsteht das elektrische Feld, das für die Trennung der durch Licht freigesetzten Ladungsträger verantwortlich ist.

Von der Zelle zum Modul

Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine sehr geringe Spannung (ca. 0,5 bis 0,6 Volt). Um nutzbare Spannungen und Leistungen zu erreichen, werden viele Zellen elektrisch miteinander verschaltet. Meist werden 60, 72 oder mehr Zellen in Reihe geschaltet und in einem Solarmodul wetterfest verkapselt.

Ein Solarmodul besteht typischerweise aus:

1. Glasabdeckung (gehärtetes Solarglas zum Schutz vor Hagel und Schnee)
2. EVA-Folie (Einbettungsmaterial zum Schutz der Zellen)
3. Solarzellen-Matrix
4. Rückseitenfolie (Backsheet) oder zweites Glas (bei Glas-Glas-Modulen)
5. Aluminiumrahmen für Stabilität
6. Anschlussdose mit Bypass-Dioden

Systemkomponenten im Detail

Eine Photovoltaikanlage ist mehr als nur die Module auf dem Dach. Folgende Komponenten sind essenziell:

Wechselrichter (Inverter)

Der Wechselrichter ist das „Gehirn“ der Anlage. Er wandelt den von den Modulen erzeugten Gleichstrom (DC) in den für den Haushalt und das öffentliche Netz benötigten Wechselstrom (AC) um. Moderne Wechselrichter überwachen zudem den Anlagenbetrieb, optimieren den Ertrag durch MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking) und ermöglichen das Monitoring per App.

Montagesystem

Die Unterkonstruktion verbindet die Module sicher mit dem Dach. Sie muss extremen Witterungsbedingungen wie Sturm und Schneelasten standhalten. Je nach Dachtyp (Ziegel, Blech, Flachdach) kommen unterschiedliche Schienen und Haken zum Einsatz.

Verkabelung

Spezielle Solarkabel müssen UV-beständig und witterungsfest sein, da sie oft jahrzehntelang der Witterung ausgesetzt sind. Ein ausreichender Querschnitt ist wichtig, um Leitungsverluste zu minimieren.

Leistungsparameter

Um die Leistungsfähigkeit einer Anlage zu beurteilen, sind folgende Kennzahlen wichtig:

• Kilowatt-Peak (kWp): Die Nennleistung der Anlage unter Standard-Testbedingungen (STC).
• Spezifischer Ertrag (kWh/kWp): Gibt an, wie viele Kilowattstunden Strom pro installiertem kWp Leistung in einem Jahr erzeugt werden. In Norddeutschland liegt dieser Wert oft zwischen 900 und 1050 kWh/kWp.
• Performance Ratio (PR): Ein Qualitätsfaktor, der das Verhältnis von tatsächlichem zu theoretisch möglichem Ertrag beschreibt (typisch: 75-85%).