Technik

Photovoltaik (PV) ist die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der dabei erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter umgewandelt und eingespeist.

  • Wie funktioniert eine Solarzelle?

    Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie sie bei der Herstellung von Computer-Chips verwendet werden. Diese Halbleiter erzeugen unter Licht Elektrizität. Der Strom wird durch metallische Kontakte gesammelt. Der erzeugte Gleichstrom kann mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und so direkt ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist werden. Als Halbleiter wird in den meisten Fällen Silizium verwendet, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdkruste.

  • Die Entwicklung brachte eine grosse Vielfalt an Solarzellen-Technologien hervor. Sie werden unterschieden nach kristallinen Solarzellen und Dünnschicht-Solarzellen.

    Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschliessend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschliessend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich grosse Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.

    Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Silizium- oder andere Halbleiterschicht abgeschieden, spricht man von Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade von Dünnschicht-Zellen liegen allerdings noch unter jenen der kristallinen Zellen. Von Tandemzellen spricht man, wenn kristallines und amorphes (Dünnschicht-) Silizium kombiniert wird.

    Neben Silizium kommen bei Dünnschichtzellen weitere Materialien zum Einsatz. Dazu gehören Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Insbesondere CdTe-Zellen hatten vor allem in den USA und Deutschland lange eine sehr grosse Verbreitung aufgrund der tieferen spezifischen Kosten pro kWp und trotz des wesentlich tieferen Wirkungsgrades als bei kristallinen Zellen. Mittlerweile sind andere Technologien vorherrschend. In der Schweiz spielen Module mit CdTe keine Rolle.

    Erst am Beginn des kommerziellen Einsatzes stehen Farbstoff-Solarzellen, die auf einem ganz anderen Prinzip als die bisherigen Solarzellen beruhen. Sie wurden an der EPFL Lausanne unter der Leitung von Prof. Dr. M. Grätzel entwickelt.

  • Um für die Umwandlung geeignete Spannungen zu erzielen, müssen die Solarzellen in Serie geschalten werden. Zuerst im Modul, danach mehrere Module zum String. Diese Solarmodule – auch Solarpanels genannt – werden, geschützt vor Umwelteinflüssen in einer Verpackung aus Glas und Kunststoff, als Bauteile für Solaranlagen eingesetzt. Heutige Module haben meist 60 Zellen, eine Leistung von 180-250 Watt und Grössen von 1.0-1.8 m2.

    Der Modulwirkungsgrad hängt von der verwendeten Zelltechnologie ab. Er ist nicht zu verwechseln mit dem Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, der etwas tiefer liegt. Die in der folgenden Tabelle angegebenen Wirkungsgrade gelten für kommerziell erhältliche Module; im Labor können z.T. deutlich höhere Werte erzielt werden.

    MaterialModulwirkungsgrad bei Standard-Testbedingungen (kommerziell erhältliche Module). Quelle: Häberlin 2010
    Monokristallines Silizium 16 -24 % 
    Polykristallines Silizium 14 - 18 % 
    Amorphes Silizium 6 -  8 % 
    Mikrokristallin 8 - 12 % 
    Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) 10 - 12 % 
    Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)11-14 %

    Die Leistung der Module wird meist in Watt peak (Wp) angegeben. Dies bezeichnet die Nennleistung bei Standard-Testbedingungen.

    Eine optimal positionierte Photovoltaikanlage im Schweizer Mittelland liefert jährlich rund 1000 Kilowattstunden (kWh) pro 1000 Wp. Die Stromproduktion liegt bei den gleichen äusseren Bedingungen für 1 Quadratmeter Photovoltaik-Module bei jährlich 150-230 kWh (kristalline Module) respektive 70-90 kWh (Dünnfilmmodule).

    Zertifizierte Module

    Photovoltaik-Module werden nach international anerkannten Normen geprüft.

    Am häufigsten werden folgende Normen verwendet:

    • Kristalline Module: IEC 61215
    • Dünnfilmmodule: IEC 61646
    • PV Module safety qualification: IEC 61730
  • Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen dem PV-Generator und dem Wechselstromnetz. Seine grundlegende Aufgabe ist es, den Gleichstrom (DC) aus den Solarmodulen in Wechselstrom (AC) umzuformen und diesen an die Frequenz und Höhe der Spannung des Hausnetzes anzupassen. Es werden unter anderem Modulwechselrichter, Strang- (ein bis mehrere Stränge pro WR) sowie Zentralwechselrichter (für Grossanlagen) unterschieden.

    Die Wechselrichter bieten heute standardmässig ein grosses Repertoire an Funktionen zur Unterstützung der Netze und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs. Sie können automatisch oder ferngesteuert den Leistungsfaktor verstellen (d. h. Blindleistung verbrauchen oder einspeisen), Lasten zu- und wegschalten oder andere Funktionen wahrnehmen.

  • Der Anteil des selbst verbrauchten, eigenerzeugten Solarstroms kann ausser durch ein funktionierendes Lastmanagement durch Batteriespeicher weiter erhöht werden. In einem Einfamilienhaus können damit Eigenverbrauchsanteile bis zu 60 Prozent erreicht werden. Zum Einsatz kommen primär Blei- und Lithium-Ionen-Batterien. Weitere Informationen finden Sie im Merkblatt Speicher.

    In der Schweiz wurden Batteriespeicher bis jetzt vor allem bei PV-Anlagen im Inselbetrieb eingesetzt. Aufgrund der noch hohen Investitionskosten sind Batteriespeicher im Netzbetrieb noch wenig verbreitet. Die erwartete rasche Kostensenkung für Batterien könnte dies bald ändern.

    Neben Batterien für einzelne Haushalte sind auch Batteriespeicher für ganze Quartiere eine Option, siehe Forschungsprojekt von ABB und EWZ, mehr

    Studie des BFE zu Energiespeichern in der Schweiz

    In einer Studie des BFE werden Bedarf, Wirtschaftlichkeit und Rahmenbedingungen im Kontext der Energiestrategie 2050 untersucht, Energiespeicher in der Schweiz