Technik

Photovoltaik (PV) ist die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen, das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist der photoelektrische Effekt. Der dabei erzeugte Gleichstrom wird meist durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und ins öffentliche Stromnetz eingespeist.

  • Wie funktioniert eine Solarzelle?

    Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium-Halbleitern, wie sie auch bei der Herstellung von Computer-Chips verwendet werden. Diese Halbleiter wandeln elektromagnetische Strahlung (Licht) in elektrischen Strom: Die einfallenden Lichtteilchen (Photonen) werden im Halbleiter absorbiert, d.h. die Elektronen des Halbleiters werden auf ein höheres Energieniveau gehoben und können sich dadurch im Material bewegen. Die Halbleiter sind so gestaltet (aneinandergrenzende, unterschiedlich dotierte Schichten), dass eine Trennung der Ladungen (Elektronen bzw. Elektronen-Lücken) erfolgt. Der so erzeugte Strom wird an metallischen Kontakten gesammelt.

  • Solarzellen unterscheiden sich nicht nur nach dem Material, sondern auch in der Art der Dotierung und in den Produktionsverfahren. An neuen Zelltypen und der Verbesserungen der bereits auf dem Markt erhältlichen Zellen wird weltweit intensiv geforscht. Die meisten heute verwendeten Zellen bestehen aus monokristallinem Silizium, andere Technologien kommen bisher nur vereinzelt zum Einsatz.

    Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen wird hochreines Halbleitermaterial benötigt. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe (Ingots) gezogen und anschliessend in 200 µm dünne Scheiben gesägt. Meist werden heute Ingots mit einem Durchmesser von 300 mm und bis zu einer Länge von 2 m hergestellt. Immer häufiger werden Ingots mit 450 mm Durchmesser produziert, dies wird langfristig auch Auswirkungen auf die Grösse der Solarmodule haben.

    Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Silizium- oder andere Halbleiterschicht aufgedampft, spricht man von Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm.

    Neben Silizium kommen bei Dünnschichtzellen auch Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) zum Einsatz. Von Tandemzellen spricht man, wenn kristallines und amorphes (Dünnschicht-) Silizium in einer Zelle kombiniert wird. 

    Erst am Beginn des kommerziellen Einsatzes stehen Grätzel-Solarzellen, die zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom nicht Halbleiter, sondern organische Farbstoffe verwenden. Sie wurden an der EPFL Lausanne unter der Leitung von Prof. Dr. M. Grätzel entwickelt.

    Derzeit wird intensiv an Zellen aus Perowskit-Kristallen geforscht. Solche Zellen haben das Potenzial sehr hohe Wirkungsgrade bei geringen Herstellkosten zu erreichen. Bisher wurden solche Zellen noch nicht kommerzialisiert.

    Eine aktuelle Übersicht über die Wirkungsgrade der verschiedenen Solarzellen finden Sie hier.

  • Solarzellen werden zusammengeschaltet und in Glas und Kunststoff verpackt zu Solarmodulen verbaut. Auf diese Weise vor Umwelteinflüssen geschützt werden sie als Bauteile für Solaranlagen eingesetzt. Heutige Module haben meist 60 Zellen, eine Leistung von 300-400 Watt und Grössen von ca. 1.0 x1.65 m.

    Der Modulwirkungsgrad hängt von der verwendeten Zelltechnologie, der Konfiguration der Zellen (z. B. Zellabstände) und der Verbindung der Zellen untereinander ab. Heute verfügbare Solarmodule haben typischerweise Wirkungsgrade zwischen 19 und 22%. Der Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage liegt etwas tiefer, da in der Verkabelung und im Wechselrichter ebenfalls Energie verloren geht.

    Die Leistung der Module wird in Watt (manchmal auch Watt peak für Maximalleistung) angegeben. Dies bezeichnet die Nennleistung bei Standard-Testbedingungen (Einstrahlung von 1000 W/m2, 25°C Zelltemperatur und einer Luftmasse von 1.5).

    Eine optimal positionierte Photovoltaikanlage im Schweizer Mittelland liefert jährlich rund 1000 Kilowattstunden (kWh) pro 1000 W installierter PV-Module.

    Photovoltaik-Module werden nach international anerkannten Normen geprüft: IEC 61215 (Terrestrische Photovoltaik–Module), IEC 61646 (Terrestrische Dünnschicht-Photovoltaik-Module), IEC 61730 (PV Module Sicherheitszertifizierung) und SNEN 50583-1/-2 (BIPV-Module, respektive -Systeme). 

  • Die grundlegende Aufgabe eines Wechselrichters ist es, den Gleichstrom (DC) aus den Solarmodulen in Wechselstrom (AC) umzuformen und diesen an die Frequenz und Höhe der Spannung des Netzes anzupassen. Es werden unter anderem Modulwechselrichter, Strang- (ein bis mehrere Stränge pro Wechselrichter) sowie Zentralwechselrichter (für Grossanlagen) unterschieden.

    Die Wechselrichter bieten heute standardmässig viele weitere Funktionen zur Unterstützung der Stromnetze, zur Erhöhung des Eigenverbrauchs und zur (Fern-) Überwachung der Anlage.

  • Der Anteil des selbst verbrauchten, eigenerzeugten Solarstroms kann durch Batteriespeicher weiter erhöht werden. Mehr Informationen

  • Solarstrom hat sich in den letzten Jahren zu einer der günstigsten Formen der Stromproduktion entwickelt. Heute können Grossanlagen für Preise von ca. 1300 CHF/kW oder weniger erstellt werden.

    Bezogen auf eine Kilowattstunde ist Solarstrom innert 10 Jahren um 80 Prozent günstiger geworden.

Zeitliche Entwicklung mittlerer Preis pro Peakleistung für PV-Anlagen in der Schweiz, © Swissolar