August 17, 2022

Grundlagen der photovoltaischen Solartechnik

Was ist Photovoltaik (PV) und wie funktioniert sie? PV-Materialien und -Geräte wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Ein einzelnes PV-Gerät wird als Zelle bezeichnet. Eine einzelne PV-Zelle ist in der Regel klein und erzeugt in der Regel eine Leistung von etwa 1 oder 2 Watt. Diese Zellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien und sind oft weniger als die Dicke von vier menschlichen Haaren. Um viele Jahre im Freien zu überstehen, werden die Zellen zwischen schützenden Materialien aus Glas und/oder Kunststoff eingeklemmt.

Um die Leistung von PV-Zellen zu erhöhen, werden sie in Ketten zu größeren Einheiten verbunden, die als Module oder Paneele bezeichnet werden. Die Module können einzeln verwendet werden, oder mehrere können zu Arrays verbunden werden. Ein oder mehrere Arrays werden dann als Teil einer kompletten PV-Anlage an das Stromnetz angeschlossen. Aufgrund dieses modularen Aufbaus können PV-Anlagen so gebaut werden, dass sie fast jeden Strombedarf decken, ob klein oder groß.

PV-Module und -Anlagen sind nur ein Teil einer PV-Anlage. Zu den Systemen gehören auch die Montagekonstruktionen, die die Module auf die Sonne ausrichten, sowie die Komponenten, die den von den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, mit dem alle Geräte in Ihrem Haus betrieben werden.

Die größten PV-Anlagen des Landes befinden sich in Kalifornien und erzeugen Strom für Versorgungsunternehmen, die diesen an ihre Kunden weitergeben. Das PV-Kraftwerk Solar Star erzeugt 579 Megawatt Strom, während die Topaz Solar Farm und die Desert Sunlight Solar Farm jeweils 550 Megawatt erzeugen.

Wenn Licht auf eine photovoltaische (PV) Zelle – auch Solarzelle genannt – fällt, kann dieses Licht reflektiert oder absorbiert werden oder direkt durch die Zelle hindurchgehen. Die PV-Zelle besteht aus Halbleitermaterial; das „Semi“ bedeutet, dass es Elektrizität besser leiten kann als ein Isolator, aber nicht so gut wie ein guter Leiter wie ein Metall. Es gibt mehrere verschiedene Halbleitermaterialien, die in PV-Zellen verwendet werden.

Wenn der Halbleiter mit Licht bestrahlt wird, absorbiert er die Lichtenergie und überträgt sie auf negativ geladene Teilchen im Material, die Elektronen. Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, als elektrischer Strom durch das Material zu fließen. Dieser Strom wird über leitende Metallkontakte – die gitterartigen Linien auf einer Solarzelle – abgeleitet und kann dann zur Stromversorgung Ihres Hauses und des übrigen Stromnetzes verwendet werden.

Der Wirkungsgrad einer PV-Zelle ist einfach die Menge an elektrischem Strom, die aus der Zelle kommt, im Vergleich zur Energie des auf sie einfallenden Lichts, was anzeigt, wie effektiv die Zelle Energie von einer Form in die andere umwandelt. Die von PV-Zellen erzeugte Strommenge hängt von den Eigenschaften (wie Intensität und Wellenlängen) des verfügbaren Lichts und mehreren Leistungsmerkmalen der Zelle ab.

Eine wichtige Eigenschaft von PV-Halbleitern ist die Bandlücke, die angibt, welche Wellenlängen von Licht das Material absorbieren und in elektrische Energie umwandeln kann. Wenn die Bandlücke des Halbleiters mit den Wellenlängen des auf die PV-Zelle einfallenden Lichts übereinstimmt, kann die Zelle die gesamte verfügbare Energie effizient nutzen.