Wie funktioniert Photovoltaik? 6 Schritte zum Verständnis

Hast du dich jemals gefragt, wie Photovoltaik funktioniert und wie sich Sonnenstrahlen in nutzbaren Strom verwandeln? Als erfahrener Solartechniker mit einer fundierten Ausbildung in Umweltingenieurwissenschaften möchte ich diese Fragen in diesem Artikel beantworten. Wir werden uns den Prozess der Photovoltaik ansehen, die Rolle von Solarmodulen und Solarzellen verstehen und den Weg von Gleichstrom zu Wechselstrom nachverfolgen. Außerdem werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Arten von Solarzellen und Photovoltaikanlagen. Vielleicht interessierst du dich auch für ein [600 Watt Balkonkraftwerk](600-watt-balkonkraftwerk-test)? Aber jetzt tauchen wir erst einmal ein in die faszinierende Welt der Photovoltaik. Wie genau wandelt ein Solarmodul Sonnenlicht in Strom um? Und welche Rolle spielt dabei das Element Silizium?

Das Wichtigste in Kürze

Photovoltaik wandelt Sonnenlicht mittels Solarmodulen und Solarzellen in Strom um. Der Wechselrichter transformiert den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom, der in das Netz eingespeist oder privat verwendet werden kann.
Silizium ist ein Schlüsselelement in der Photovoltaik. Es stammt aus der Erdkruste und zeichnet sich durch seine nahezu unerschöpfliche Verfügbarkeit aus.
Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen: monokristalline, polykristalline und amorphe. Jede Art hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Unterschiedliche Photovoltaikanlagen, wie netzgekoppelte Anlagen und Inselsysteme, eröffnen verschiedene Anwendungsmöglichkeiten.

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Einleitung: Wie funktioniert Photovoltaik? Ein Überblick

Die Photovoltaik nutzt die Kraft der Sonne, um saubere Elektrizität zu erzeugen. Ihre wichtigsten Bausteine sind die Solarzellen, die in Solarmodulen zusammengefasst werden. Jede dieser Zellen besteht hauptsächlich aus Silizium, einem der häufigsten Elemente auf der Erde. Das Prinzip der Photovoltaik basiert auf dem photoelektrischen Effekt: Wenn Licht – oder genauer: Photonen – auf das Material trifft, werden Elektronen freigesetzt. Diese wiederum erzeugen einen elektrischen Strom. Durch den Einsatz eines Wechselrichters wird der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, der dann entweder ins Stromnetz eingespeist wird oder direkt privat genutzt werden kann. Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen und Anwendungsmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen, die wir uns im Verlauf des Textes genauer anschauen werden. Zusammen zeigen sie auf, wie vielfältig und innovativ die Nutzung von solarenergie ist.

Sonnenlicht in Strom umwandeln: Der Prozess der Photovoltaik

Dreh- und Angelpunkt der Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Die zentrale Rolle spielen hierbei sogenannte Solarmodule. Diese bestehen aus vielen kleinen Solarzellen, die zusammenarbeiten, um die Sonnenenergie effektiv zu nutzen. Hierbei sind verschiedene Komponenten und Prozesse verknüpft, die wir uns genauer ansehen wollen. Zunächst schauen wir uns Solarmodule und Solarzellen genauer an.

Solarmodule und Solarzellen: Die Basis für Photovoltaik

Solarmodule und Solarzellen sind das Herzstück deiner Photovoltaikanlage. Die Solarzellen setzen sich aus Halbleitermaterial, meistens Silizium, zusammen. Sie wandeln über den photoelektrischen Effekt das eingefangene Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Mehrere Solarzellen werden in einem Solarmodul miteinander verbunden, um eine höhere Leistungsabgabe zu gewährleisten. Die Ausrichtung des Moduls und die Qualität der Zellen bestimmen maßgeblich den Energieertrag. In Deutschland sind zum Beispiel nach Süden ausgerichtete Module am effizientesten. Zudem gibt es Unterschiede bezüglich der Art der Solarzellen, die ich im weiteren Verlauf noch genau erläutern werde.

Vom Gleichstrom zum Wechselstrom: Der Beitrag des Wechselrichters

Nachdem die Solarzellen das Licht in Gleichstrom (DC) umgewandelt haben, kommt der Wechselrichter ins Spiel. Dieser ist essentiell, da unser Stromnetz und die meisten elektrischen Geräte mit Wechselstrom (AC) arbeiten. Der Wechselrichter transformiert den Gleichstrom in Wechselstrom um.

Es handelt sich dabei um einen komplexen Prozess, der eine genaue Steuerung erfordert. Der Wechselrichter muss den Gleichstrom so umwandeln, dass der resultierende Wechselstrom die Netzfrequenz und Spannung hat.

Wusstest du, dass es verschiedene Arten von Wechselrichtern gibt? Sie unterscheiden sich in der Art, wie sie den Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln:

String-Wechselrichter,
Zentral-Wechselrichter,
Mikro-Wechselrichter.

Je nach Größe und Konfiguration der Solaranlage kommt der passende Wechselrichtertyp zum Einsatz.

In jedem Fall ist der Wechselrichter ein entscheidendes Element, um die Energie der Sonne nutzbar zu machen. Denn ohne ihn könnte der erzeugte Gleichstrom nicht für den Verbrauch zu Hause oder die Einspeisung ins Netz genutzt werden.

Nutzung des erzeugten Stroms: Einspeisung ins Netz und privater Gebrauch

Nach dem Prozess der umwandlung von Sonnenlicht in Strom, widmen wir uns der Frage, was mit dem erzeugten Strom passiert. Im Prinzip hast du zwei Optionen: Die Einspeisung ins öffentliche Netz oder den privaten Gebrauch.

Einspeisung ins Netz: In vielen Ländern besteht die Möglichkeit, überschüssigen Solarstrom ins öffentliche Netz einzuspeisen. Das bedeutet, deine Photovoltaikanlage produziert mehr Energie, als du tatsächlich verbrauchst. Der überschüssige Strom wird dann ins Netz eingespeist und du erhältst dafür eine Einspeisevergütung.

Privater Gebrauch: Alternativ kannst du den erzeugten Solarstrom selbst nutzen. Mit Hilfe eines Energiespeichers, meist in Form einer Batterie, lässt sich der Strom speichern und zu einem späteren Zeitpunkt verbrauchen. Dies ist besonders sinnvoll, wenn deine Photovoltaikanlage abends oder bei schlechtem Wetter weniger Energie produziert.

Ob Einspeisung ins Netz oder privater Verbrauch – die Photovoltaik bietet dir flexible Möglichkeiten, um effizient und nachhaltig Energie zu gewinnen.

Materialien in der Photovoltaik: Der Einsatz von Silizium

Nachdem wir nun die grundlegenden Mechanismen der Photovoltaik verstanden haben, wollen wir uns einem weiteren wichtigen Aspekt zuwenden. Lass uns genauer auf die Materialien schauen, die in Solarzellen zum Einsatz kommen und warum gerade auf Silizium so oft zurückgegriffen wird.

Die Quelle des Siliziums: Einblick in die Erdkruste

Das Silizium, das in der Photovoltaik zum Einsatz kommt, stammt ursprünglich aus der Erdkruste. Hier ist es zweithäufigstes Element, nach Sauerstoff. Der Abbau erfolgt in großen Bergwerken, bei dem Siliziumdioxid in Form von Quarz abgebaut wird. Dieses wird in Verbindung mit Kohle in speziellen Hochöfen zu Metallurgischem Silizium verarbeitet. Es ist wichtig zu wissen, dass das abgebaute Silizium sowohl in der Mikroelektronik als auch in der Solartechnik verwendet wird. Die Nachfrage nach diesem Rohstoff ist daher groß, aber aufgrund seiner Häufigkeit in der Erdkruste ist die Versorgung langfristig gesichert.

Nahezu unerschöpflich: Die Besonderheit des Elementes Silizium

Silizium ist ein Schlüsselelement in der Photovoltaik und verleiht der Technologie ihre besondere Eigenschaft der Nachhaltigkeit. Die nahezu unerschöpfliche Verfügbarkeit von Silizium ist darauf zurückzuführen, dass es das zweithäufigste Element in der Erdkruste ist. Etwa 90% des Erdmantels bestehen aus Siliziumverbindungen. Es ist somit fast überall vorhanden und für die Produktion von Solarzellen leicht zugänglich. Durch seine halbleitenden Eigenschaften ist Silizium zudem optimal geeignet für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom. Energieproduktion durch Photovoltaik ist also nicht nur sauber, sondern auch ressourcenschonend. Da der Rohstoff Silizium in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht, stellt diese Form der Energiegewinnung eine nachhaltige und langfristig verfügbare Alternative zu fossil basierten Energieträgern dar.

Zusammenfassend

Silizium ist nahezu unerschöpflich verfügbar und bietet optimale Eigenschaften für die Photovoltaik. Damit trägt es signifikant zur Nachhaltigkeit und langfristigen Verfügbarkeit der Solartechnologie bei.

Arten von Solarzellen in der Photovoltaik

Nachdem wir uns mit den Materialien und ihrer Rolle in der Photovoltaik befasst haben, können wir nun auf die konkreten Arten von Solarzellen eingehen, welche in Solarpanels verwendet werden. Es gibt verschiedene Typen, die sich in Effizienz und Kosten unterscheiden. Dabei bekommen wir es mit drei Hauptkategorien zu tun: monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen. Doch wie unterscheiden sich diese und wo genau liegen ihre Vor- und Nachteile?

Monokristalline Solarzellen: Die klassische Variante

Die klassische Variante unter den Solarzellen, die sogenannten monokristallinen Solarzellen, haben einen besonders hohen Wirkungsgrad und sind deshalb äußerst effizient. Ihr Name lässt darauf schließen: Sie bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall. Daher ihr ebenmäßiges, dunkles Erscheinungsbild. Aber Achtung: Qualität hat ihren Preis – monokristalline Solarzellen sind in der Regel teurer als ihre polykristallinen Geschwister. Sie eignen sich besonders für kleinere Flächen und Dächer mit wenig Platz, da sie trotz geringerer Fläche mehr Energie erzeugen können. Zusammengefasst:

Hoher Wirkungsgrad
Aus einem einzigen Kristall bestehend
Teurer als polykristalline Solarzellen
Ideal für kleinere Flächen und Dächer mit wenig Platz.

Polykristalline Solarzellen: Ein alternativer Zelltyp

Polykristalline Solarzellen sind ein weiterer Zelltyp, der in der Photovoltaik zum Einsatz kommt. Sie bestehen aus mehreren Kristallstrukturen, daher der Name. Im Herstellungsprozess schmelzen Produzenten Stücke von Silizium zusammen, wodurch ein unregelmäßiges Kristallmuster entsteht.

Diese Art von Solarzellen ist etwas weniger effizient als ihre monokristallinen Pendants, aber sie haben auch einige Vorteile. Hier einige Besonderheiten der Polykristallinen Solarzellen:

Preis: Sie sind in der Herstellung günstiger und somit eine kosteneffektive Option.
Umweltfreundlich: Der Herstellungsprozess ist energieeffizienter, was sie zu einer grüneren Wahl macht.
Toleranz: Sie zeigen eine höhere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen und Verschattung.

Trotz etwas geringerer Effizienz können polykristalline Solarzellen also durchaus die bessere Wahl sein – je nach den spezifischen Umständen und Anforderungen.

Amorphe Solarzellen: Der neue Ansatz in der Photovoltaik

Auch bekannt als Dünnschicht-Solarzellen, stellen amorphen Solarzellen einen modernen Ansatz in der Photovoltaik dar. Der Hauptvorteil dieser Technologie liegt in ihrer Fähigkeit, auch bei geringerem Lichteinfall und schlechteren Lichtverhältnissen Strom zu produzieren. Dies ist möglich, da das Silizium nicht als einzelner, massiver Kristall, sondern in einer dünnen, amorph (unstrukturierten) Schicht vorliegt. Dadurch können sie auch auf flexiblen Untergründen angebracht werden. Allerdings ist ihre Effizienz geringer als bei den kristallinen Varianten. Deswegen eignen sie sich besonders für Anwendungen, bei denen der Platz nicht beschränkt und eine hohe Effizienz nicht das Hauptziel ist.

Arten von Photovoltaikanlagen und ihre Anwendung

Nun, da du die Grundlagen und Materialien der Photovoltaik sowie verschiedene Solarzellentypen kennst, wollen wir uns die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten anschauen. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Photovoltaikanlagen.

Netzgekoppelte Anlagen: Photovoltaik für das öffentliche Netz

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen sind die am häufigsten verbreitete Form der Solarstromerzeugung. Bei diesem System wird der erzeugte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Nach der Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom durch den Wechselrichter, wird der Strom in das allgemeine Netz eingeleitet. Dadurch können du und weitere Nutzer auf den grünen Strom zurückgreifen. Dabei profitierst du nicht nur persönlich von einer umweltfreundlichen Stromerzeugung, sondern unterstützt die Gemeinschaft insgesamt bei der Energiewende.

Eine netzgekoppelte Anlage beinhaltet:

Solarzellen oder Solarmodule
Montagesysteme
Wechselrichter
Zähler und Leistungsschalter
Verkabelung

Wichtig

Bei der Einspeisung wird in vielen Ländern eine Einspeisevergütung gewährt, um die Nutzung regenerativer Energien zu fördern. Dieses Gesetz ermöglicht es dir, den erzeugten Solarstrom in das öffentliche Netz einzuspeisen und dafür eine Vergütung zu erhalten.

Inselsysteme: Photovoltaik für den privaten Gebrauch

Starke Sonnenstrahlen und keine Stromkabel in der Nähe? Kein Problem mit Inselsystemen! Sie sind autonome Photovoltaikanlagen, ideal für den Einsatz in entlegenen Gebieten oder für Menschen, die energieautark leben möchten.

Das Hauptmerkmal – sie sind unabhängig vom Stromnetz. Im Gegensatz zu netzgekoppelten Anlagen, speisen Inselsysteme den produzierten Strom nicht ins öffentliche Netz ein, sondern speichern ihn in Batterien oder Akkus. Damit hast du jederzeit Zugriff auf deinen eigenen, selbst erzeugten Strom.

Ob für deine Gartenlaube, dein Wohnmobil oder als Versorgung für eine abgelegene Hütte – die Bandbreite der Nutzung ist groß. Allerdings solltest du bedenken:

Bei der Speicherung des Stroms können Verluste auftreten.
Für den Betrieb sind gute Batterien/Akkus nötig, die eine konstante Versorgung gewährleisten.
Die Kapazität sollte deinem Verbrauch entsprechen – zu knapp kalkuliert, kann es schnell dunkel werden.

Damit eröffnet dir die Photovoltaik auch ohne Anschluss ans Stromnetz viele Möglichkeiten. Denn Sonne gibt es fast überall!

Fazit: Wie funktioniert Photovoltaik und welche Möglichkeiten ergeben sich?

Die Photovoltaik ist ein faszinierender und einfacher Weg, umweltfreundlichen Strom zu erzeugen. Durch die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom mittels Solarmodulen und Solarzellen, wovon es verschiedene Arten gibt, leistet sie einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung. Mit dem nahezu unerschöpflichen Material Silizium als Ausgangsbasis ist die Photovoltaik für viele die Energiequelle der Zukunft. Ob in netzgekoppelten oder insularen Systemen, jede Art der Photovoltaikanlage hat ihre eigene Spezifikation und Zielsetzung. Die Möglichkeiten der Photovoltaik sind vielfältig und bieten eine saubere, erneuerbare energetische Alternative.

FAQ

Wie wirkt sich die Wahl zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen auf die Leistung meiner Photovoltaikanlage aus?

Die Wahl zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung Ihrer Photovoltaikanlage. Monokristalline Solarzellen sind in der Regel effizienter, aber auch teurer. Sie können mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln, was sie ideal für kleinere Dachflächen macht. Polykristalline Solarzellen sind weniger effizient, aber kostengünstiger, was sie zu einer guten Wahl für größere Installationen mit viel Platz macht. Amorphe Solarzellen haben die niedrigste Effizienz, sind aber flexibel und können auf Oberflächen angebracht werden, die für andere Zelltypen ungeeignet sind. Ihre Wahl hängt also von Ihren spezifischen Bedürfnissen und dem verfügbaren Platz ab.

Kann ich überschüssigen Strom, der durch meine Photovoltaikanlage produziert wird, ins öffentliche Netz einspeisen und wie funktioniert das?

Ja, Sie können überschüssigen Strom, der durch Ihre Photovoltaikanlage produziert wird, ins öffentliche Netz einspeisen. Dies geschieht durch einen Prozess, der als Netzeinspeisung bezeichnet wird. Ihre Photovoltaikanlage erzeugt Strom, der zunächst für den Eigenbedarf genutzt wird. Überschüssiger Strom, der nicht verbraucht wird, wird über einen Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom, der von den Solarzellen erzeugt wird, in Wechselstrom um, der ins Netz eingespeist werden kann. Für den eingespeisten Strom erhalten Sie eine Einspeisevergütung vom Netzbetreiber, die gesetzlich geregelt ist.

Was macht Silizium als Material für Solartechnologie so besonders, und gibt es Alternativen?

Silizium ist das Hauptmaterial in der Solartechnologie aufgrund seiner hervorragenden Halbleitereigenschaften, die es ermöglichen, Sonnenlicht effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Es ist reichlich vorhanden und umweltfreundlich, was es zu einer idealen Wahl für Solartechnologie macht. Alternativen zu Silizium sind Dünnschichttechnologien wie Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe), die weniger Material benötigen und flexibler sind, aber oft weniger effizient als Silizium-basierte Solarzellen.

Wie funktionieren Inselanlagen in der Photovoltaik und wer könnte von solchen Systemen besonders profitieren?

Inselanlagen in der Photovoltaik sind autonome Systeme, die unabhängig vom Stromnetz funktionieren. Sie erzeugen Strom durch Sonnenenergie, speichern diesen in Batterien und versorgen damit Haushalte oder Einrichtungen. Besonders profitieren können davon abgelegene Gebiete ohne Netzanschluss, wie Berghütten oder Inseln, aber auch Eigenheimbesitzer, die unabhängig von Stromversorgern sein möchten.

Kann ich eine Photovoltaikanlage auch in Gebieten mit geringerer Sonneneinstrahlung sinnvoll einsetzen?

Ja, eine Photovoltaikanlage kann auch in Gebieten mit geringerer Sonneneinstrahlung sinnvoll eingesetzt werden. Zwar produziert die Anlage in sonnenreichen Gebieten mehr Strom, doch auch in weniger sonnigen Regionen kann sie einen erheblichen Teil des Strombedarfs decken. Moderne Solarmodule sind zudem sehr effizient und können auch diffuses Licht in elektrische Energie umwandeln. Daher ist die Installation einer Photovoltaikanlage auch in weniger sonnenverwöhnten Gebieten eine lohnenswerte Investition in nachhaltige Energie.