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Was ist Photovoltaik? » So funktioniert die Photovoltaik » Der photovoltaische Effekt » Wie funktioniert eine Solarzelle? » Woraus besteht eine Solarzelle? » Von der Zelle zum Modul » Aus welchen Teilen besteht eine Photovoltaikanlage? » Was bedeutet eigentlich Kilowatt Peak (kWp)? » Gibt es verschiedene Wirkungsgrade? » Was passiert bei Bewölkung? » Module - je kühler desto besser! So funktioniert die Photovoltaik Photovoltaikanlagen nutzen mit dem photovoltaischen Effekt eine der umweltschonendsten Formen der Gewinnung elektrischer Energie. "Photovoltaik" steht für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Die dahinter stehende Technik ist eigentlich ganz einfach: Strom aus Sonnenlicht kann von Solarzellen erzeugt werden, deren Hauptbestandteil ein Halbleiter, in der Regel Silizium, ist. Ein Halbleiter ist ein Material, dass weder den Isolatoren noch den Leitern zugeordnet werden kann und dessen elektrische Eigenschaften durch die Beimengung von Fremdstoffen (Dotierung) gravierend beeinflusst werden kann. Die Solarzelle besteht aus zwei aneinander grenzenden und mit separaten Metallkontakten versehenen Halbleiterschichten, die jeweils so dotiert wurden, dass eine so genannte "n" Schicht (n = negativ) mit einem Elektronenüberschuss und eine darunter liegende "p" Schicht (p = positiv) mit einem Elektronenmangel entsteht. Dem Konzentrationsgefälle folgend fließen deshalb Elektronen vom n- in das p-Gebiet, so dass sich im Inneren dieser Halbleiterstruktur ein elektrisches Feld ausbildet, die so genannte "Raumladungszone". Der photovoltaische Effekt Bei einer Solarzelle ist die obere n-Schicht so dünn, dass die Photonen des einfallenden Sonnenlichts sie durchdringen können und erst in der Raumladungszone ihre Energie an ein Elektron abgeben. Das so angeregte Elektron ist beweglich, folgt dem inneren elektrischen Feld und gelangt so aus der Raumladungszone heraus zu den Metallkontakten der n-Schicht. Beim Anschluss eines Verbrauchers wird der Stromkreis geschlossen: Die Elektronen fließen über den Verbraucher zum Rückseitenkontakt der Solarzelle und schließlich zur Raumladungszone zurück. Diesen Effekt nennt man "Photovoltaik" (zusammengesetzt aus dem griechischen Wort für Licht "phos" und dem Namen des Physikers Alessandro Volta). Der von den Solarzellen produzierte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter, dem "Herz" Ihrer Anlage, in Wechselstrom umgewandelt. Wie funktioniert eine Solarzelle? Strom aus Sonnenlicht kann von Solarzellen erzeugt werden, deren Hauptbestandteil ein Halbleiter, in der Regel Silizium, ist. Ein Halbleiter ist ein Material, dass weder den Isolatoren noch den Leitern zugeordnet werden kann und dessen elektrische Eigenschaften durch die Beimengung von Fremdstoffen (Dotierung) gravierend beeinflusst werden kann. Die Solarzelle besteht aus zwei aneinander grenzenden und mit separaten Metallkontakten versehenen Halbleiterschichten, die jeweils so dotiert wurden, dass eine so genannte "n" Schicht (n = negativ) mit einem Elektronenüberschuss und eine darunter liegende "p" Schicht (p = positiv) mit einem Elektronenmangel entsteht. Dem Konzentrationsgefälle folgend fließen deshalb Elektronen vom n in das p Gebiet, so dass sich im inneren dieser Halbleiterstruktur ein elektrisches Feld ausbildet, die so genannte Raumladungszone. Bei einer Solarzelle ist die obere n-Schicht so dünn, dass die Photonen des einfallenden Sonnenlichts sie durchdringen können und erst in der Raumladungszone ihre Energie an ein Elektron abgeben. Das so angeregte Elektron ist beweglich, folgt dem inneren elektrischen Feld und gelangt so aus der Raumladungszone heraus zu den Metallkontakten der n Schicht. Beim Anschluss eines Verbrauchers wird der Stromkreis geschlossen: Die Elektronen fliessen über den Verbraucher zum Rückseitenkontakt der Solarzelle und schließlich zur Raumladungszone zurück. Woraus besteht eine Solarzelle? Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium hat den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Kristalls umweltverträglich ist. Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph. Die verschiedenen Zelltypen unterscheiden sich wiederum in ihren Herstellungskosten und den unterschiedlichen Wirkungsgraden. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen (sog. "Dünnschichtzellen") liegen unter denen der anderen beiden Zelltypen; dafür sind sie aufgrund des weniger aufwändigen Herstellungsverfahrens günstiger im Preis. Von der Zelle zum Modul Bei voller Sonneneinstrahlung (ca. 1.000 Watt pro Quadratmeter) fällt auf eine Solarzelle der Größe 10 x 10 cm eine Strahlungsleistung von etwa 10 Watt. Eine solche Zelle kann dann je nach Qualität eine elektrische Leistung von 1 - 1,5 Watt abgeben. Um die Leistung zu erhöhen, werden mehrere Zellen kombiniert und zu einem Solarmodul verschaltet. Die Verbindung mehrerer Module bezeichnet man schließlich als Solargenerator. Mehr zum Thema "Photovoltaik" erfahren Sie über die Menüleiste rechts oben. Aus welchen Teilen besteht eine Photovoltaikanlage? Eine Photovoltaikanlage besteht in der Regel aus Solarzellen, die in Solarmodulen zusammengefasst werden, dem Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, und dem Einspeisezähler. Darüber hinaus werden häufig eine Anlagenüberwachung sowie eine Datenvisualisierung angebracht. Was bedeutet eigentlich Kilowatt Peak (kWp)? Kilowatt Peak steht für Spitzenleistung (engl. Peak = Spitze). Dieser Wert gibt die Leistung an, die ein Solarmodul bei voller Sonnenbestrahlung (unter festgelegten Standard-Test-Bedingungen) erreicht. Als Standardbedingung wird eine optimale Sonneneinstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter angesetzt, die in Deutschland in den Mittagsstunden eines schönen Sommertages erreicht wird. Die Peak-Leistung wird von den meisten Herstellern auch als "Nennwert" oder "Nennleistung" bezeichnet. Da sie auf Messungen unter optimalen Bedingungen basiert, entspricht die Peak-Leistung nicht der Leistung unter realen Einstrahlungsbedingungen. Diese liegt wegen der starken Erwärmung der Solarzellen in der Praxis ca. 15 bis 20 % darunter. Gibt es verschiedene Wirkungsgrade? Der Wirkungsgrad beschreibt grundsätzlich das Verhältnis der nutzbaren zur eingesetzten Energie. Je höher der Wirkungsgrad, desto besser ist die Fähigkeit, Lichteinstrahlung in Strom umzuwandeln. Man unterscheidet Zellen-, Modul- und Systemwirkungsgrad. In der kommerziellen Massenfertigung wird derzeit ein Zellenwirkungsgrad je nach eingesetzter Technologie von bis zu 18,3 % erreicht. Der Modulwirkungsgrad bezieht sich auf die gesamte Modulfläche und ist deshalb immer etwas geringer als der Zellenwirkungsgrad. Dies liegt u.a. an den nicht nutzbaren Zwischenräumen der aneinander gereihten Solarzellen im Modul. Der Systemwirkungsgrad bezieht sich auf die komplette Solarstromanlage. Hier ist in Relation zum Modulwirkungsgrad ein weiterer Abfall zu verzeichnen, der auf Durchleitungsverluste z.B. durch Kabel zurückzuführen ist. Was passiert bei Bewölkung? PV-Module nutzen nicht nur das direkte Sonnenlicht bei klarem Himmel, sondern auch die sogenannte diffuse Lichteinstrahlung bei Bewölkung. Je heller es draußen ist, desto höher ist die Leistung der Module - egal ob dabei die Sonne direkt zu sehen ist oder nicht. In Mitteleuropa macht der diffuse Anteil übrigens gut 50 % der Einstrahlung aus. Module - je kühler desto besser! Oft wird übersehen, dass PV-Anlagen meistens bei 25°C optimal laufen. Der Anteil direkter Sonnenstrahlen z.B. am Äquator ist zwar vergleichsweise höher als in unseren Breiten, allerdings mindern die hohen Außentemperaturen den Ertrag der Anlage durch die Erhitzung der Module erheblich. Bei den gängigen Siliziumzellen beträgt der Leistungsabfall rund 0,4 % pro °C. Die kühleren Temperaturen in Deutschland kompensieren also die schwächere Einstrahlung merkbar.
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