Photovoltaik

Solarzellen mit Sonne
Foto: Panthermedia.net/Leung Cho Pan

Heutzutage wird Klimaschutz immer wichtiger und damit auch die Nutzung erneuerbarer Energien. Photovoltaik zählt zu den wichtigsten davon: 2019 machte sie ein Fünftel der Stromerzeugung durch regenerative Energien, wie sie auch genannt werden, in Deutschland aus. Hier erfahren Sie mehr über die Technik und die Leistung von Solarzellen, außerdem erhalten Sie wichtige Informationen über die Herstellung von Photovoltaikanlagen und Fördermöglichkeiten.

Was ist Photovoltaik überhaupt?

Photovoltaik, PV abgekürzt, ist eine Methode, Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Für Photovoltaikanlagen existiert die Abkürzung PVA. Der Ursprung der Bezeichnung liegt im griechischen Wort „phos“ für „Licht“ und in der Einheit elektrischer Spannung, Volt.

Solarenergie, Solarthermie, Photovoltaik – was ist eigentlich der Unterschied?

Solarenergie ist die Energie, die durch die Sonne gewonnen wird. Hierbei gibt es zwei verschiedene Methoden: die Photovoltaik und die Solarthermie. Der Unterschied zwischen den Techniken ist, dass die Photovoltaik die Lichtenergie der Sonne verwendet, um Strom zu erzeugen, die Solarthermie nutzt hingegen die Wärmeenergie.

Und wie funktioniert die Photovoltaik?

Die Energieumwandlung findet in den Solarzellen statt, die aus Halbleitermaterialien bestehen. Am häufigsten kommt Silizium vor. Dieses wird dotiert, also bewusst mit Fremdatomen verunreinigt, sodass zwei verschiedene Pole entstehen. Dafür wird an der Oberseite oft Phosphor verwendet, das 5 Elektronen besitzt, also eins mehr als ein Siliziumatom. Um sich in die Kristallstruktur des Siliziums einzufügen, spaltet sich von den Phosphoratomen jeweils ein Elektron ab und bewegt sich frei in dieser n-dotiert genannten Schicht. Der unteren Schicht wird zum Beispiel Bor hinzugefügt, das nur 3 Elektronen besitzt und somit ein Elektron weniger als ein Siliziumatom hat. Damit wird sie zur p-dotierten Schicht.

Zwischen den beiden Schichten befindet sich der sogenannte p-n-Übergang, in dem sich die freien Elektronen der n-dotierten Schicht mit den Bor-Atomen verbinden. So entsteht in der oberen Schicht ein positiver Pol und in der unteren Schicht ein negativer Pol.

Wenn jetzt die Sonne auf die Solarzelle scheint, trennen die Photonen die schwache Bindung zwischen den ehemals freien Elektronen und den Bor-Atomen. Die jetzt wieder freien Elektronen wandern in Richtung obere Schicht, weil sie von der positiven Ladung angezogen werden, und gelangen über Metallkontakte an der Oberseite der Solarzelle zu einem Verbraucher. Von dort wandern sie zurück zur Solarzelle und gelangen über an der Unterseite befestigte Metallkontakte in die p-dotierte Schicht. Währenddessen wandern die „Löcher“ an den Bor-Atomen, also die Stellen, an denen vorher die Elektronen gebunden waren, in Richtung untere Schicht. Dort verbinden sie sich mit den Elektronen und das Spiel beginnt von vorne, wenn die Photonen die Bindungen wieder lösen.

Wie ist eine Photovoltaikanlage denn aufgebaut?

Die zu großen Modulen zusammengeschlossenen Solarzellen stellen Gleichstrom her, daher braucht man für eine Photovoltaikanlage einen Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Die Spannung des Wechselstroms lässt sich leichter transformieren als die des Gleichstroms, weshalb Wechselstrom für ein ohne große Verluste arbeitendes Stromnetz unverzichtbar ist. Außerdem braucht man für eine Photovoltaikanlage, deren Energie für den Eigengebrauch gedacht ist und nicht ins Stromnetz eingespeist wird, einen Speicher und einen Laderegler, der den Akku vor Überladung und Tiefentladung schützt.

Bei den Solarzellen gibt es verschiedene Arten, etwa Dünnschichtmodule und Dickschichtmodule.

Wann lohnt es sich, eine Photovoltaikanlage zu kaufen?

Die Voraussetzungen für eine Photovoltaikanlage sind vielfältig:

  • Damit sich eine Anlage auf dem Dach lohnt, sollte das Dach bestenfalls nach Süden ausgerichtet sein, Abweichungen Richtung Osten und Westen führen zu einer Minderung des Ertrags. Dennoch sind auch Ausrichtungen nach Osten und Westen rentabel.
  • Eine wirklich optimale Dachneigung gibt es nicht, da sie im Sommer höher sein sollte als im Winter, im Süden Deutschlands flacher als im Norden, usw. Allerdings gibt es einen theoretisch idealen Wert von 32°.
  • Genug Platz ist eine notwendige Bedingung, da ein einzelnes Dickschichtmodul 6-8 Quadratmeter (m²) groß ist, ein Dünnschichtmodul sogar bis zu 17 m².
  • Eine weitere wichtige Voraussetzung ist, dass das Dach wetterfest sein und für die nächsten Jahre auch wetterfest bleiben muss.
  • Weiterhin sollte man darauf achten, dass es keine Verschattungen gibt, selbst Verschmutzungen wie Vogelkot können den Ertrag mindern. Es ist sinnvoll, mit etwaigen Nachbarn zu klären, ob sie Pläne haben, die Verschattungen verursachen können.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass durch den Standort der Anlage die Höhe der Einspeisevergütung bestimmt wird.

Generell gibt es in Deutschland nicht die idealen Voraussetzungen für Photovoltaik, besser geeignet sind äquatornahe Regionen wie Südamerika, Südafrika und auch Australien. Dennoch lohnt sich auch hierzulande die Installation von Photovoltaikmodulen, z. B. für den Eigengebrauch.

Wie effizient ist Photovoltaik überhaupt und wie hoch ist die Leistung?

Die Effizienz einer technischen Anlage wird mit dem Wirkungsgrad beschrieben und in % angegeben. Bei Photovoltaikanlagen ist der Wirkungsgrad hauptsächlich abhängig von den Solarzellen, aber auch die Wirkungsgrade von Kabeln und dem Wechselrichter spielen eine Rolle im Anlagenwirkungsgrad. Er wird auch Performance Ratio genannt. Wechselrichter haben einen Wirkungsgrad von 97%, Kabel sogar einen von 99%.

Monokristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 19 bis 23%, polykristalline Solarzellen haben einen von 16 bis 20% und nichtkristalline Solarzellen haben einen von 6 bis 9%.

Den Wirkungsgrad der Anlage kann man errechnen, indem man den am Zähler abgelesenen Ertrag durch die Nennleistung teilt. Die Nennleistung gibt die Leistung der Anlage bei Standard-Testbedingungen in der Einheit Kilowatt Peak (kWp), bzw. in der Einheit Watt Peak (Wp) an. Diese Standard-Testbedingungen werden in der Praxis meist nicht erreicht, was zur Folge hat, dass der tatsächliche Ertrag in Wattstunden (Wh) geringer als die Nennleistung ist.

Mit einer Photovoltaikanlage mit der Nennleistung von 1 kWp hat man eine Ertragsleistung von ca. 800-1000 kWh pro Jahr, pro Tag wäre das dann ein Ertrag von ca. 2,5 kWh. Für diese Nennleistung braucht man ein ca. 7 m² großes Solarmodul. Bei dem Betrag muss man allerdings beachten, dass er über das Jahr hinweg großen Schwankungen unterliegt: Im Sommer ist der Ertrag natürlich höher als im Winter.

Wie werden Solarzellen hergestellt und ist das wirklich so umweltfreundlich?

Während der Anwendung einer Solarzelle über 20 Jahre entstehen kaum Emissionen, dadurch konnten 2016 in Deutschland ca. 24 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden. 2010 wurden laut dem Bundesverband Solarwirtschaft noch 8 Millionen Tonnen eingespart.

Während der Produktion einzelner Solarzellen sind die CO2-Emissionen allerdings ziemlich hoch: Da viele Solarzellen in China produziert werden, gibt es lange Transportwege, die für starke Emissionen sorgen. Außerdem muss das Silizium, um verwendet werden zu können, mehrmals geschmolzen werden, wofür Braun- bzw. Steinkohle verwendet wird.

Wenn man die Energiekosten bei der Produktion von Solarzellen gegen den Energieertrag aufrechnet, brauchen monokristalline Solarzellen laut MEP Solarstrom Magazin 3 Jahre bis sie tatsächlich grüne Energie produzieren, polykristalline Solarzellen etwas weniger und nichtkristalline Solarzellen nur etwa eineinhalb Jahre. Diesen Zeitraum nennt man Amortisationszeit. Zur guten Klimabilanz kommt, dass sich 95% einer Solarzelle recyceln lassen. Also sind Solarzellen tatsächlich ziemlich umweltfreundlich.

Gibt es Förderungen für Photovoltaikanlagen?

Es gibt diverse Förderungen für Photovoltaikanlagen:
Für die Finanzierung gibt die KfW-Bankengruppe zinsgünstige Kredite. Allerdings nur, wenn die Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes erfüllt sind, also wenn Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird.

Die Einspeisevergütung ist der staatlich festgelegte Betrag, den Netzbetreiber dem Betreiber der Anlage für den Strom bezahlen. Das Problem hierbei ist, dass dieser Betrag in den letzten Jahren auf 10,64 Cent pro Kilowattstundet (kWh) gesunken ist und wahrscheinlich auch noch weiter sinken wird. Da der aktuelle Strompreis bei ca. 29 Cent pro Kilowattstunde liegt, kann es sich lohnen, den erzeugten Strom nicht ins Stromnetz einzuspeisen, sondern selbst zu verbrauchen. Allerdings ist es möglich, zum Unternehmen zu werden, wenn man seinen Strom einspeist. Das hat steuerliche Vorteile. So kann man z. B. Anschaffung und Wartung als Betriebsausgabe von der Steuer absetzen.

Auch diverse Energieversorger bieten Förderungen an und zahlen beispielsweise einen bestimmten Zuschuss zu der Einspeisevergütung. Förderprogramme der Bundesländer gibt es auch, diese variieren allerdings von Bundesland zu Bundesland.

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