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Der Grundstoff

Detailansicht

Das Silizium, aus dem im wesentlichen die Solarzellen bestehen, ist nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdrinde und steht damit praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Zudem ist es ungiftig und kann nicht korrodieren.

Die Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten (beispielweise Silizium). Diese Schichten werden positiv bzw. negativ dotiert, also mit einer genau festgelegten Anzahl Fremdatome gezielt „verunreinigt“. Die Verunreinigung führt dazu, dass im Halbleiter bei Lichteinfall negative und positive Ladungsträger freigesetzt werden. Ein internes elektrisches Feld trennt dabei die Ladungsträger. Auf diese Weise entsteht eine Spannung zwischen den Metallkontakten, die an der Oberfläche der Solarzellen angebracht sind. Wird der äußere Kreis geschlossen, so fließt ein elektrischer Gleichstrom. Dieser Effekt verursacht kein Geräusch, keinen Geruch und verbraucht keine Primärenergie sondern liefert umweltfreundlichen Strom.

Angeboten werden verschiedene Arten von Solarzellen, die sich nach mehreren Kriterien unterscheiden lassen. Wichtig hierbei ist einerseits die Materialdicke und andererseits das Material selbst, aus dem die Solarzelle besteht. Als drittes Kriterium kann die Kristallstruktur herangezogen werden.

Monokristallines Silizium / polykristallines Silizium

Das mit Abstand am häufigsten genutzte Material ist Silizium. Höchste Wirkungsgrade (gemeint ist das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Energie zur einfallenden Lichtenergie) erreicht man mit monokristallinem Silizium. Für die Herstellung monokristalliner Wafer wird zunächst aus aufgeschmolzenem, hochreinem Silizium bei rund 1400° C ein zylinderförmiger Einkristall gezogen, aus dem dann eine quadratische Säule geschnitten wird. Mittels einer Drahtsäge wird diese Säule in rund 0,2 mm dünne Wafer aufgeschnitten. Marktgängige Silizium-Zellen aus monokristallinem Silizium erreichen Wirkungsgrade von 17 bis 19%.

Eine Alternative ist das in der Herstellung preiswertere multi- oder polykristalline Silizium, dessen Wirkungsgrad mit 14 bis 16% etwas niedriger liegt. Multikristalline Wafer bestehen aus einer Vielzahl von kleinen Einkristallen und werden überwiegend mittels Blockguss hergestellt. Das flüssige Silizium erstarrt in einem großen Tiegel zu einem multikristallinen Block, aus dem durch mehrfaches Zersägen eine Vielzahl an Säulen gewonnen werden kann. Diese werden mittels Drahtsäge weiter zerlegt. Ein Nachteil beider Verfahren ist ein damit verbundener Materialverlust von rund 50%.

Dünnschicht-Technologien

Neben siliziumbasierten Wafersolarzellen bietet der Photovoltaik-Markt als weitere Alternative Dünnschicht-Solarzellen. Zurzeit liegt ihr Marktanteil bei ca. 20%. Die Grundidee der Dünnschichttechnologie ist zum einen ein deutlich geringerer Materialverbrauch des eigentlichen aktiven Halbleitermaterials, welches in der Regel auf Glas oder Metallbändern in einer Dicke von wenigen Mikrometern abgeschieden wird. Zum anderen lassen sich Produktionsverfahren im großtechnischen Maßstab leichter umsetzen. Zu nennen sind hier insbesondere amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmium-Tellurid (CdTe). Ihr Wirkungsgrad liegt bei 7 bis 12%. 

Das Photovoltaik-Modul

In der Regel reicht die elektrische Leistung einer einzelnen Solarzelle nicht aus, um in der Praxis sinnvoll eingesetzt werden zu können. Daher werden mehrere Solarzellen in Serie (um die Spannung zu erhöhen) und parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen) geschaltet. Man spricht nun von einem Modul.

Die verschalteten Zellen werden zwischen einem hochtransparenten Frontglas und einem Rückseitenglas, bzw. einer Kunststoffabdeckung, eingebettet. Die Verbindung schafft in der Regel, wie bei einer Verbundglasscheibe, eine aufgeschmolzene und durchsichtig wieder erstarrte Kunststofffolie, die zwischen den Solarzellen und den Glasscheiben bzw. der Rückabdeckung aufgebracht wird. Dieser Aufbau gewährleistet zum einen Schutz gegen Feuchtigkeit, zum anderen werden UV-Stabilität und elektrische Isolierung der Zellen sichergestellt. Je nach Anwendung werden die Module abschließend gerahmt und mit Anschlussdosen für die Verkabelung ausgestattet.

Typische Module, die eine Zellenanzahl von 36 bis 80 Zellen aufweisen, erbringen eine Leistung von 50 bis 300 Watt. Die Leistung von Modulen bzw. ganzer Anlagen wird in Spitzenleistung unter Normbedingungen angegeben (Kilowattpeak, kWp). Als Faustregel kann gelten, dass unter Berücksichtigung der in Nordrhein-Westfalen gegebenen Einstrahlung in einem durchschnittlichen Jahr mit einem Stromertrag von rund 870 bis 930 kWh/Jahr je kWp installierter Leistung gerechnet werden kann.

Das Gesamtsystem

Die einzelnen Solarmodule werden je nach Anlagengröße und -typ zu einer größeren Einheit, dem sogenannten Solargenerator, zusammengeschaltet. Zum überwiegenden Teil werden diese Solargeneratoren durch eine spezielle Unterkonstruktion auf das Hausdach („Aufdachanlage“) montiert. Um höchste Erträge zu erzielen, sollte das Dach möglichst in südlicher Richtung ausgerichtet sein und eine geeignete Dachneigung aufweisen. In Deutschland ist eine Dachneigung zwischen 30° und 45° optimal.

Zusätzliche Möglichkeiten bieten dach- und fassadenintegrierte Anlagen.

Hierbei übernimmt die Photovoltaik-Anlage eine Doppelfunktion: Zum einen hat sie die Funktion des Stromgenerators. Zum anderen ersetzt sie einen Teil der ohnehin benötigten Dach- oder  Fassadenelemente, wodurch sich bei entsprechender Planung Kosten einsparen lassen. Architektonisch gut einbinden lassen sich z.B. Glas-Glas-Laminate auf verglasten Dach- und Fassadenpartien oder in die Dacheindeckung integrierte Zellen (z.B. Solarzellen in Dachpfannen). Der Anordnung und farblichen Gestaltung von PV-Modulen sind fast keine Grenzen gesetzt.

Die Netzanbindung

Die einfachste Art, den Strom einer PV-Anlage zu nutzen, bietet das netzgekoppelte System. Dies bietet die Möglichkeit den erzeugten Solarstrom zumindest zeitweise in das Netz des örtlichen Netzbetreibers einzuspeisen. Dazu muss der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom mit Hilfe eines so genannten Wechselrichters auf 230 V Wechselspannung transformiert werden. Zudem wird eine Schutzvorrichtung zwischen der Photovoltaikanlage und dem Stromnetz montiert, die die Anlage automatisch vom Netz nimmt, falls Störungen auftreten. Diese ist oft schon im Wechselrichter vorhanden. Ein zusätzlicher Einspeisezähler misst dann die Menge des eingespeisten Solarstroms. Mit Hilfe dieses Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Netzbetreiber geregelt.

Neben der Möglichkeit, den Solarstrom ins öffentliche Netz einzuspeisen, besteht auch die Möglichkeit den Strom selbst zu nutzen. Dies ist dann sinnvoll, wenn der eigene Strombezugspreis höher liegt als die EEG-Einspeisevergütung.

Der Einsatz so genannter Inselanlagen ohne Netzanbindung erfolgt in Deutschland nur dort, wo kein allgemeines Stromversorgungsnetz vorhanden ist. Im täglichen Leben begegnen uns solche Anlagen bei Parkscheinautomaten, Verkehrsüberwachungssystemen und bei der Beleuchtung von Bushaltestellen, da dann auf eine aufwendige Verlegung von Erdkabeln verzichtet werden kann.

Größe und Auslegung der Anlage

Im Gegensatz zu Inselanlagen (Anlagen ohne Netzanbindung) oder solarthermischen Anlagen (Solaranlagen zur Wärmegewinnung) gibt es bei netzgekoppelten PV-Anlagen keinen besonderen Dimensionierungsanspruch, denn der erzeugte Strom dient nicht nur dem Eigenbedarf, sondern kann auch eingespeist, also verkauft werden. Eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von einem Kilowattpeak hat je nach Wirkungsgrad der Anlage einen Flächenbedarf von 6 bis 12 m² (im Mittel: 8 m²). Im privaten Bereich werden bevorzugt Anlagen zwischen 2 und 5 kWp eingesetzt. Ein Durchschnittshaushalt mit einem jährlichen Strombedarf von 3.500 kWh könnte rein rechnerisch bereits mit einer Anlagengröße von 4 kWp bedarfsdeckend durch die Photovoltaik versorgt werden.