Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht. Andreas Bauernfeind

      Prinzip der Photovoltaik

      Lichtteilchen auf Halbleitermaterial (kristalline Silizium-strukturen) welches in der Lage ist, Elektronen freizugeben. Elektronen werden aus Gefüge gelockert und können sich frei bewegen. Durch das Richten des Elektronenflusses der Solarzellen entsteht Stromkreis Anderes Modell: Wellenmodell; Energieinhalt der auftreffenden Strahlung nach Wellenbereich unter-schiedlich. Je größer Frequenz desto höher, der Energieinhalt. Durch Auftreffen der Strahlung werden die Amplituden der der Kristallschwingungen erhöht. Kurzwellige Strahlung wird in langwellige erhöht. Die Temperatur steigt. Die gewonnene Wärme wird an einen Moderator weitergeleitet.

      Die Geschichte der Solarzelle

      (phos = griech. Licht, volta: nach italienischem Physiker Alessandro Volta)

       1839 Alexandre-Edmont Becquerel beschreibt den photovoltaischen Effekt. Er experimentiert mit photoelektro-chemischen Solarzellen (Die Leistung war gerade noch meßbar).

       1887 Willough Smith entwickelt die erste Selen-Solarzelle (Wirkungsgrad: 1%).

       1905: Albert Einstein erklärt mit Hilfe der „Quantentheorie des Lichts“ den Photoeffekt.

       1952: Fuller beweist, dass die gezielte „Verunreinigung“ von Germanium und Silizium möglich war und schafft damit die Vorraussetzung für das Entstehen elektrischer Felder in Halbleitern, einen pn-Übergang.

       April 1954: Pearson, Chapin und Fuller von Bell Telephone Laboratories stellen der Öffentlichkeit die erste Siliziumsolarzelle vor (Wirkungsgrad: 6 %).

       März 1958: Der erste mit Solarzellen versorgte Satellit „Vanguard“ startet (Wirkungsgrad: 10%).

       1973: Nach der Ölkrise steigt das Interesse für die Nutzung von erneuerbaren Energien.

       1980: In den 80er Jahren werden in sonnenreichen Gebieten Solarkraftwerke errichtet, welche den erzeugten Strom ins öffentliche Netz einspeisen.

       Heute liegt der Wirkungsgrad für die verschiedenen Solarzellen zwischen 10% und 15%.

      Marktentwicklung

       Nettoleistung der Stromerzeugungsanlagen in Deutschland nach Energieträgern 2002 – 2017

      Bei der installierten Leistung von Stromerzeugungs- anlagen sind die Erneuerbaren Energien bereits seit 2006 führend unter den Energieträgern in Deutschland.

       Der Preis pro kWh Strom wird bei Privathaushalten maßgeblich durch Steuern und Abgaben bestimmt.

       Anteil Erneuerbarer Energien am Stromverbrauch 2006-2017

      

      Der Anteil, den die Erneuerbaren Energien zur Deckung des Stromverbrauchs in Deutschland beitragen, liegt 2017 bereits bei ca. 36% und steigt kontinuierlich.

       Verteilung unter den Erneuerbaren Energien 2006-2017

      Der Anteil, den Solarstrom bisher zur Deckung des Stromverbrauchs pro Jahr in Deutschland beigetragen hat, ist in den letzten 10 Jahren sehr schnell gewachsen.

       Verteilung der Erneuerbaren Energien weltweit (BRICS, EU und Top 6 Länder, 2016)

       Wasserkraft wurde in der Grafik nicht berücksichtigt, weil sie den größten Teil der Erneuerbaren Energien ausmacht und die Entwicklung anderer, weniger verbreiteter Technologie maskieren würde. Die fünf BRICS Länder sind Brasilien, Russland, Indien, China und Südafrika.

       Photovoltaik-Zubau in Deutschland nach Größenklassen 2012-2018

       In 2017 verzeichnet die neu registrierte Photovoltaik- Leistung einen drastischen Anstieg gegenüber dem Vorjahr. Der Anteil des Volumens in Großprojekten sinkt leicht. Die Statistik für 2018 berücksichtigt nur den neu registrierten PV-Zubau bis einschließlich April 2018.

       Entwicklung der Solarstromerzeugung in Deutschland 1990-2017

       Die installierte PV-Leistung und die daraus resultierende Solarstromerzeugung steigt stetig an, obwohl der Zubau seit 2012 deutlich zurückging.

       Preisentwicklung bei PV-Anlagen 2006-2018

       Der durchschnittliche Endverbraucherpreis für PV-Anlagen bis 10 kWp fiel innerhalb der letzten 10 Jahre um fast 75 %. Solarstrom vom eigenen Dach ist deshalb oft wesentlich günstiger als der Stromtarif für Privathaushalte und Gewerbetreibende.

      Komponenten

       Solarmodule

      Ein Photovoltaik-Modul wandelt Licht in Gleichstrom um und sollte das über mehr als zwei Jahrzehnte möglichst effektiv tun, auch bei diffusem Licht. Ein Solarmodul sollte auch bei härtester Witterung robust sein. Dabei entscheiden u.a. die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Moduls darüber, wie gewinnbringend eine Photovoltaik-Anlage arbeitet. Die Module sollte eine verlässliche Herstellergarantie haben. Die Photovoltaik-Module sollten eine Neigung von min. 7° haben, damit Wasser und geschmolzener Schnee abfließen kann, so das ein Selbstreinigungseffekt vorhanden ist und der Wirkungsgrad der Module nicht durch äußere Einflüssen reduziert wird.

       Monokristalline Silicium-Solarzellen

       Herstellung: Mit Hilfe des Czochralski-Verfahren wird eingeschmolzenes Silicium zu einem stab- förmigen Einkristall gezogen und danach in Scheiben gesägt.

       Kennzeichen: Monokristalline Silicium-Solarzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sowie gebrochenen Ecken.

       Wirkungsgrad: Labor : 23,3 % Praxis : 15 - 18,5 %

       Multikristalline Silicium-Solarzellen

       Herstellung: Geschmolzenes Silizium wir in Blöcke gegossen, dabei wird die Einkristallbildung unterbunden. Aus dem grobkörnig erstarrtem Silicium werden Scheiben gesägt.

       Kennzeichen: Multikristalline Silicium-Solarzellen besitzen eine unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die Kristalle mit einem Durchmesser von einigen Millimetern bis Zentimetern zu erkennen sind.

       Wirkungsgrad: Labor : 17,8 % Praxis : 12 - 14 %

       Amorphe Silicium-Solarzellen

       Herstellung: Silizium wird aus der Gasphase auf einen Träger (zumeist Glas) als dünne Schicht aufgebracht.

       Kennzeichen: Eine Kristallstruktur ist hier nicht zu erkennen. Amorphes Silicium besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen.

       Wirkungsgrad: Labor: 11,5 % Praxis: 5 - 8 %