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Wissenswertes über Fotovoltaik


Mit Fotovoltaik bezeichnet man die Erzeugung von Strom direkt aus Sonnenlicht. Dies geschieht in einer Solarzelle ohne Umweltbelastung. Der Strom kann sofort verbraucht, oder nach Umwandlung in Wechselstrom ins öffentliche Netz eingespeist werden. Es findet keine Abnutzung der Solarzellen statt.

Solarzellen

Das zentrale Bauelement einer Fotovoltaikanlage ist die Solarzelle. Am gebräuchlichsten sind so genannte kristalline Solarzellen, die aus einem oder mehreren Kristallen gezüchtet und dann in dünne Scheiben geschnitten werden. Man unterscheidet zwischen monokristallinen Solarzellen, die aus einem Kristall bestehen und polykristallinen Zellen mit einer erkennbaren Kristallstruktur. Hierbei zeichnen sich monokristalline Zellen durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Amorphe Solarzellen oder Dünnschichtzellen haben einen deutlich geringeren Wirkungsgrad, sind aber in der Herstellung weniger aufwendig. Sie werden vor allem bei kleineren Anwendungen eingesetzt, da sie mehr Platz bei gleicher Leistung benötigen. Sie werden z.B. zur Versorgung in Taschenrechnern eingesetzt.

Aufbau einer Solarzelle

Der Fotoeffekt lässt sich bei einer Vielzahl von Halbleitermaterialien beobachten. In der Technik spielt jedoch fast ausschließlich Silizium eine Rolle. Bei diesem Material beherrscht man die großtechnische und fabrikmäßige Herstellung und Handhabung der Solarzelle. Silizium wird als Einkristall, als polykristallines und als amorphes Material eingesetzt. Für größere Leistungen wird ausschließlich kristallines Silizium verwendet. Betrachten wir eine typische Solarzelle: Eine etwa 10x10 cm große Siliziumfläche besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten - so genanntes n-leitendes und p-leitendes Silizium. An der unteren Fläche befindet sich eine durchgehende Metallschicht. An der Oberfläche sind die Metallkontakte fingerartig angebracht. Zusätzlich wird die Oberfläche mit einer "Antireflex-Schicht" versehen (z.B. Titanoxid). Dieser Belag sorgt dafür, dass möglichst viel Licht in den Halbleiter eindringt. Er verleiht der Solarzelle das typische dunkel- bis schwarzblaue Aussehen - ein Zeichen dafür, dass wenig Licht reflektiert wird.

Funktionsprinzip der Solarzelle

Die Lichteinstrahlung setzt in den Halbleiterschichten negative und positive Ladungsträger frei ("Fotoeffekt"). Ein internes elektrisches Feld trennt diese Ladungsträger. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Metallkontakten, die an der Oberfläche der Solarzellen angebracht sind. Wird der äußere Kreis geschlossen, so fließt ein elektrischer Strom - ein Gleichstrom. Jede einzelne Solarzelle liefert eine elektrische Spannung von etwa 0,5 V und einen maximalen Strom von etwa 2 A. Um höhere Spannungen oder höhere Stromstärken zu erreichen, fasst man mehrere Solarzellen zu so genannten Solarmodulen zusammen.

Solarmodule

Die Solarzellen befinden sich hierbei in einem gemeinsamen Rahmen unter speziell gehärtetem Glas. Eine mehr oder weniger große Anzahl von Solarmodulen stellt den Solargenerator dar.

Anwendungsbereiche

Man unterscheidet die Fotovoltaikanlagen nach ihrem Anwendungsbereich. Einerseits kann man den erzeugten Strom in Wechselstrom umwandeln und in das öffentliche Netz einspeisen - so genannte Netzeinspeiseanlagen, andererseits kann man den erzeugten Gleichstrom in Akkus speichern und so autarke Anlagen versorgen - so genannte Inselanlagen.

Wie funktionieren diese Anlagen?

Netzeinspeisesysteme bestehen im wesentlichen aus einem Solargenerator und einem Wechselrichter. Der Solargenerator erzeugt in Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen eine Gleichspannung. Die wird in eine netzgleiche Wechselspannung umgewandelt und kann über einen Zähler direkt ins EVU-Netz eingespeist werden. Bei einer Inselanlage wird der überschüssige Strom in Akkus gespeichert und kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.