PV-Anlage: Funktionsweise und Aufbau von PV-Modulen

Zusammenfassung

Überblick

Rasant steigende Energiepreise aufgrund der aktuellen Energiekrise, aber auch der Wunsch, einen persönlichen Beitrag zur Klimawende zu leisten, beschäftigen aktuell viele Menschen. Eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) auf dem eigenen Hausdach ist ein wichtiger Schritt zu mehr Unabhängigkeit von Netzbetreibern, für Nachhaltigkeit und die Vollendung der Energiewende. Doch was ist Photovoltaik und wie funktioniert sie? Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Funktionsweise und den Aufbau einer Solaranlage.

1 Grundlagen: Was ist Photovoltaik?

Sonnenenergie ist eine erneuerbare Energie, die durch Kernfusion im Inneren der Sonne entsteht. Sonnenlicht ist überall auf der Welt verfügbar, es ist kostenlos und emissionsfrei. Pro Quadratmeter und Jahr trifft in Deutschland eine Energie von etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Erde. Sonnenenergie lässt sich zudem vielfältig direkt für eine nachhaltige Strom- und Wärmeproduktion nutzen. Neben Wind und Wasser ist sie einer der Tragpfeiler der angestrebten Energiewende weg von den fossilen Energien.

Der Wandel von Sonnenlicht mittels moderner Technologien in elektrische Energie ist darum einer der größten Energie-Trends unserer Zeit. Solarzellen in PV-Anlagen, solarthermische Kraftwerke und Sonnenkollektoren nutzen die Sonnenstrahlung ohne Umwege und wandeln die Strahlungsenergie in Strom oder Wärme um.

Daraus ergeben sich zahlreiche Nutzungsmöglichkeiten für öffentliche Einrichtungen, Unternehmen und Privatpersonen:

• Hauseigentümer können mit PV-Dachanlagen oder Fassaden-Photovoltaik an Ein- oder Mehrfamilienhäusern Haushaltsstrom erzeugen.
• Solarmodule können für die Dachkonstruktion bei einem Solar-Carport oder einer Solarveranda eingesetzt werden.
• Mittels einer Wallbox kann ein Elektroauto mit Solarstrom klimaneutral betrieben werden.
• Mieter können einzelne Solarpaneele installieren und so zumindest kleine Mengen Solarstrom gewinnen, selbst wenn keine Dachfläche zur Verfügung steht.

2 Funktionsweise von Photovoltaik

Der Begriff "Photovoltaik" (PV) – oder auch Fotovoltaik – leitet sich ab vom griechischen Wort "Photo" für Licht und "Volt", der Einheit für die elektrische Spannung. Er beschreibt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Photovoltaik kommt auf unterschiedlichste Weise zur Stromerzeugung zum Einsatz, so zum Beispiel als PV-Anlage auf Dachflächen von Privathaushalten, auf Freiflächen, auf Solarfahrzeugen oder auch in Taschenrechnern.

Häufig werden PV-Anlagen als Solaranlagen bezeichnet. Das ist allerdings begriffstechnisch nicht korrekt. Sowohl PV-Anlagen als auch sogenannte Solarthermie-Anlagen sind Solaranlagen, also Technologien zur Energieerzeugung, die die Kraft der Sonne nutzen – allerdings auf unterschiedliche Art (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik

Solarthermie-Anlage

Solarthermie-Anlagen wandeln das eingefangene Sonnenlicht in Wärme für die Warmwasseraufbereitung und die Heizung. Um die Sonnenstrahlung solarthermisch zu nutzen, werden sogenannte Kollektoren aufgestellt. In diesen wärmeisolierten Röhrensystemen befindet sich eine Trägerflüssigkeit, die durch die Strahlungswärme der Sonne erhitzt wird. Als Trägermedium können ein öliges Gemisch aus Propylenglycol und Wasser ("Frostschutzmittel") oder reines Wasser dienen.

PV-Anlage

Bei einer PV-Anlage hingegen wird die Kraft der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Die Funktionsweise von PV-Anlagen basiert auf dem sogenannten photoelektrischen Effekt. Dieser wurde erstmals 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel nachgewiesen. Er experimentierte mit galvanisierten Batterien, die er mit Licht bestrahlte und bei denen er daraufhin die Zunahme von elektrischer Spannung feststellen konnte. Mit der Quantentheorie des Lichts konnte Albert Einstein 1905 den Photoeffekt zweifelsfrei beweisen. Alle modernen PV-Anlagen, die heute für die Stromgewinnung in Privathäusern, Gewerbebetrieben und Solarparks eingesetzt werden, basieren auf dem photoelektrischen Effekt.

Die ersten Silizium-Solarzellen wurden Anfang der fünfziger Jahre von der Bell Telephone Company in Massachusetts entwickelt. Sie hatten einen Wirkungsgrad von bis zu 6 %. Zum ersten Mal war damit die Voraussetzung gegeben, Solarzellen industriell herzustellen. Wegen der hohen Produktionskosten wurden Photovoltaikzellen aber zunächst nur von der NASA in der Raumfahrt eingesetzt, um die Flugkörper mit Energie zu versorgen. Erst seit Mitte der 70er-Jahre wurden mehr Solarzellen für den Einsatz auf der Erde als für die Raumfahrt produziert.

3 Aufbau von PV-Modulen

Damit das photovoltaische Prinzip funktioniert, braucht es einen festen Verbundstoff – bei einer PV-Anlage sind das die Halbleiterschichten aus Silizium – und eine Photonenquelle, also Sonnenlicht. Trifft das Sonnenlicht auf den Festkörper, geben die Photonen ihre Energie an ihn ab. Das bringt die Elektronen im Festkörper in Bewegung, sodass elektrische Spannung entsteht.

Für PV-Module gibt es im Wesentlichen zwei Herstellungstechniken:

1. Module aus vielen sili...