Photovoltaikanlagen von A-Z - die Photovoltaikanlage
Energie - Solarenergie - erneuerbare Energie

Die Photovoltaikanlage - Photovoltaikanlagen


Der Name, ein Kunstwort,  leitet sich vom griechischen Photo = Licht und von dem Namen des Physikers Alessandro Volta ab. Photovoltaik (PV) ist die unmittelbare Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie mittels Halbleitern, sog. Solarzellen. Dabei werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme positive und negative Ladungsträger freigesetzt (Photoeffekt) und Gleichstrom erzeugt. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, die bei Licht- oder Wärmeeinfluss elektrisch leitfähig, bei tiefen Temperaturen isolierend werden. In fast allen Solarzellen wird Silizium (Si) eingesetzt, das als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht und umweltverträglich verarbeitet werden kann.

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src="http://www.hausgarten.net/haus/images/stories/solar3.jpg" align="left" hspace="6" alt="Photovoltaikanlage" title="Photovoltaikanlage" border="0" /> Durch Einbringen von verschiedenen chemischen Elementen in das Halbleiterelement „dotieren“, wird entweder ein positiver Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder ein negativer Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielt. An der Grenzschicht entsteht ein p-n-Übergang, an dem sich ein inneres elektrisches Feld aufbaut, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Diese elektrische Spannung wird abgegriffen und kann im elektrischen Stromkreis Arbeit leisten. Zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten wird auf die Siliziumzelle eine durchsichtige Antireflexschicht aufgebracht.

Photovoltaikanlage - die erreichbare Spannung

Die abgreifbare Spannung (U) beträgt bei Silizium etwa 0,5 V und ist kaum von der Lichteinstrahlung abhängig. Die Stromstärke (I) steigt dagegen  bei höherer Beleuchtungsstärke an. Eine 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke von 2 A, wenn sie mit 1.000 W/m² bestrahlt wird. Die Leistung (P) (P = U x I ) ist von der Temperatur abhängig und sinkt bei höheren Zellentemperaturen. Der Wirkungsgrad, der angibt wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird, sinkt also bei höheren Zellentemperaturen.

Die drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph unterscheidet man nach der Kristallart.
Die monokristallinen Zellen bestehen aus hochreinem Halbleitermaterial und bringen den höchsten Wirkungsgrad. Aus einer Siliziumschmelze wurden einkristalline Stäbe gezogen und dann in dünne Scheiben zersägt. Die in der Herstellung kostengünstigeren polykristallinen Zellen, bei denen flüssiges Silizium im Blöcke gegossen, die anschließend zersägt werden, bilden unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten, damit ist der Wirkungsgrad geringer. Bei den amorphen- oder Dünnschichtzellen, wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, die eine Stärke von weniger als 1 µm hat. Dieses Verfahren ist sehr kostengünstig, hat allerdings auch den niedrigsten Wirkungsgrad.

Um die erforderlichen Spannungen bzw. Leistungen zu erreichen, werden Solarzellen parallel und/oder in Reihe  miteinander verschaltet. In transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt, entstehen die bekannten Module.

Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² und Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak. Die Garantiezeiten liegen i.d.R. bei 10 Jahren.

von Peter Morgenroth
 

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