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Solar-Wissen

Warum Solarenergie?

Die Sonne liefert uns kostenlos und langfristig Energie. Solarenergie ist unerschöpflich, erneuerbar und umweltfreundlich. Eine Photovoltaikanlage produziert nämlich keine Co2-Emissionen, die sehr umweltschädlich sind. Außerdem bestehen Solarzellen vorwiegend aus Silizium, welches das zweithäufigste Element auf der Erde ist. Mit der Entwicklung der Photovoltaik-Industrie und Technologie werden Photovoltaikanlagen noch effizienter, wovon sowohl Unternehmer als auch private Hausbesitzer profitieren können. Photovoltaik bietet außerdem eine langfristige preisgünstige Möglichkeit: Infolge der Verbesserung der Photovoltaik-Technologie sind nämlich die Preise für Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren stark gefallen. Demgegenüber basiert unsere heutige Energieversorgung vorwiegend auf fossilen Brennstoffen, die endlich sind und keine Zukunft haben. Unsere Abhängigkeit von diesen Rohstoffen führt zu kontinuierlich steigenden Energiepreisen, die den Wirtschaftsaufschwung gefährden. Eine Änderung dieser Tendenz ist gegenwärtig nicht abzusehen, solange fossile Brennstoffe statt erneuerbarer Energien genutzt werden. Fossile Brennstoffe sind nicht erneuerbar und schaden zudem der Umwelt, da das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte Co2 hauptverantwortlich für den Klimawandel ist. Aus diesem Grund ist es notwendig, alternative Energien auszunutzen, damit die Energieversorgung gewährleistet und gleichzeitig die Umwelt geschützt wird. Solarenergie ist der Ausweg.

 

Grundlagen der Solarenergie: Der photovoltaische Effekt

Unter einem photovoltaischen Effekt versteht man die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Die Halbleitermaterialen innerhalb von Solarzellen erzeugen ein internes elektrisches Feld durch einen pn-Übergang. Ein pn-Übergang besteht aus zwei verschiedenen Halbleiterschichten. Die positive, so genannte „p“-Schicht hat einen Elektronenmangel, - und damit Löcher im Elektronengitter; demgegenüber hat die negative „n“-Schicht einen Elektronenüberschuss. Wenn das Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, geben die Photonen ihre Energie an einige Elektronen der Halbleiter weiter, und erzeugen dadurch Elektronenpaare (+/-). Durch die Kraft des internen elektrischen Feldes werden ständig Elektronen aus den bestehenden Elektronenpaarbindungen gelöst. Dadurch entstehen freie Elektronen und Löcher: Die Elektronen werden von der positiven Ladung in die „n“-Schicht, die Löcher von der positiven Ladung in die „p“-Schicht gezogen. Entsteht eine Verbindung durch eine Leiter zwischen den negativen und positiven Polen und der Ladung, wird ein Stromkreis geschlossen. Auf diese Weise fließt Strom. Aus diesen Vorgängen besteht der photovoltaische Effekt innerhalb einer Solarzelle.

 

Bestandteile einer Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlagen unterscheiden sich voneinander im Hinblick auf die unterschiedlichen Verbindungen mit dem Stromnetz. Im Allgemeinen verfügen alle Photovoltaikanlagen über Solarmodule, Kabelverbindungen und dazugehörende Baustoffe.

 

1. Zusätzlich besteht eine Photovoltaik-Inselanlage (off-grid solar system) typischerweise auch aus Batterien, einem Laderegler und eventuell aus einem Wechselrichter und einem Notstromgenerator.

2. Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage (grid-tied solar system) besteht aus einem Solarwechselrichter und aus zwei Zählern: Der eine erfasst die erzeugte Energie; der andere misst einerseits den Netzbezug, anderseits die Netzeinspeisung.

 

Ein Solarmodul wird aus einzelnen Solarzellen zusammengesetzt. Durch den photovoltaischen Effekt können Solarzellen das Sonnenlicht auffangen und direkt in Gleichstrom (DC) umwandeln. Innerhalb einer Inselanlage kann der Gleichstrom entweder direkt genutzt oder über einen Wechselrichter in Wechselstrom transformiert werden, der für den Einsatz üblicher Haushaltsgeräte geeignet ist. In einer Inselanlage wird der gewonnene überschüssige Strom in einer Batterie gespeichert. So ist die Energie auch bei Nacht oder schlechter Witterung verfügbar. Für das Energiemanagement ist der Laderegler verantwortlich. Falls der gesamte gespeicherte Strom verbraucht wird, kann für den Notfall ein zusätzlicher Stromgenerator, wie ein Dieselgenerator, angeschlossen werden. Demgegenüber wird Gleichstrom in einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und zunächst in das Hausnetz eingespeist. Auf dieser Weise kann die erzeugte Energie innerhalb des Hauses von Elektrogeräten genutzt werden. Reicht der gewonnene Strom zur Deckung des Eigenverbrauchs nicht aus, kann die fehlende Energie vom öffentlichen Netz bezogen werden. Umgekehrt wird die überschüssige Energie in das öffentliche Netz eingespeist. Ein Stromzähler regelt den Energiefluss zwischen dem öffentlichen Netz und dem Haushalt. Durch die Herstellung von genügend hintereinander angeordneten Reihen an Solarmodulen kann der Strombedarf von Industrie- und Großanlagen und von Privathäusern gedeckt werden. Dünnschichtsolarmodule können auf den Dächern von Handelsbetrieben und Häusern eingesetzt werden. Auch abgelegene Gebiete, die oft mit Stromausfällen rechnen müssen, können durch Solarmodule mit Strom versorgt werden.

 

Technologien und Produktionsprozesse von Solarmodulen

Je nachdem, wie eine Solarzelle hergestellt wird, variieren auch die Produktionsverfahren von Solarmodulen. Wie vorher schon erwähnt wurde, sind Halbleitermaterialen der Hauptbestandteil einer Solarzelle.

 

Siliciumkristallen (c-Si).

Heutzutage bestehen über 85% der gebauten Solarzellen aus kristallinem Silicium. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Silicium: monokristallines und polykristallines Silicium. Polykristallines Silicium besteht aus einer relativ niedrigen Anzahl von Siliciumkristallen. Zwischen diesen Siliciumkristallen gibt es jedoch Korngrenzen, die Barrieren für die Elektronen aufbauen. Diese Korngrenzen innerhalb der Kristallstruktur setzen deshalb bei polykristallinen Solarzellen den Wirkungsgrad herab. Demgegenüber ist der Wirkungsgrad bei monokristallinen Solarzellen höher. Polykristallines Silicium ist aber preiswerter im Vergleich zu monokristallinem Silicium, und wird deshalb in der Solarindustrie am häufigsten verwendet.

 

Produktionsverfahren

 

Rohstoff: Silicium

Sand besteht vorwiegend aus Siliciumdioxid. Im ersten Prozessschritt wird metallurgisches Silicium (MG-Si) durch eine thermische Reduktion mit Kohlenstoff gewonnen. Durch Aufschmelzung und Veredelungsverfahren wird metallurgisches Silicium im zweiten Prozessschritt in Polysilicium umgewandelt.

 

Ingots (Barren) oder Brick casting

Polysilicium kann monokristallin oder polykristallin aufgebaut werden. Polysilicium wird durch zwei unterschiedliche Verfahren in Ingots umgesetzt: das Czochralsky- Verfahren oder das Float-Verfahren. Was polykristallines Silicium angeht wird das Silicium- Rohmaterial bei ersterem eingeschmolzen und dann in eine Quaderform gegossen.

 

Schneide

Ingots aus monokristallinem Silicium werden demgegenüber in Wafer geschnitten. Ähnlich wie bei polykristallinem Silicium wird das Silicium-Rohmaterial zuerst in Barren und dann in Wafer geschnitten. Aufgrund der Tatsache, dass monokristallines Silizium einen zylindrischen Einkristall bildet, sind Wafer nicht exakt quadratisch geschnitten.

 

Verkapselung

Die Waferoberfläche aus monokristallinem und polykristallinem Silicium ist mit einer Halbleiterverbindung entweder aus dem n-Typ oder aus dem p-Typ ausgestattet. Auf diese Weise wird in der Solarzelle eine pn-Schichtstruktur geschaffen. In Abhängigkeit von dem Produktionsverfahren der Solarzelle kann zuerst eine n-Basisschicht und danach eine p-Basisschicht hergestellt werden.

 

Verkabelung

Die Solarzellen sind miteinander elektrisch verschaltet.

 

Verkapselung

Damit größere Leistungen mit höheren Spannungen erzeugt werden können, sind Solarzellen durch Verbindungen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. So werden die Solarzellen auch vor zerstörerischen Umwelteinflüssen geschützt.

 

Montage

Solarmodule bestehen aus zahlreichen Solarzellen, die miteinander elektrisch verschaltet sind. Um eine bessere Leistung zu erreichen, können Solarmodule in Reihen angeordnet werden.

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