Photovoltaik – Wie Sonne zu Strom wird

Die Solarzelle ist eine der bemerkenswertesten Erfindungen der Ingenieurwissenschaften überhaupt: Sie wandelt die frei und überall auf der Welt kostenlos zur Verfügung stehende Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um, die ihrerseits leicht in nahezu jede andere Energieform umgewandelt werden kann. Die Solarzelle kommt dabei praktisch ohne Wartung aus, da sie keine bewegten Teile besitzt oder Hilfsenergien benötigt. Ihre Lebensdauer ist so hoch, dass die Hersteller mindestens 20 Jahre Garantie geben. Zu ihrer Produktion wird vor allem Quarzsand benötigt, ein Stoff, der praktisch unbegrenzt auf der Erde vorhanden ist. Weiterhin lassen sich Solarzellen durch eine Verschaltung zu Solargeneratoren einfach in der elektrischen Leistung skalieren. Diesen Vorteilen steht jedoch die direkte Abhängigkeit der Energieerzeugung von der momentanen Sonneneinstrahlung gegenüber, die u. U. einen Energiespeicher oder die Kombination mit anderen Energieerzeugungsanlagen notwendig macht.

Solarzellen nutzen bestimmte Anteile der Strahlungsenergie der Sonne und wandeln diese in elektrische Energie um. Für viele planerische oder anwendungsbezogene Fragestellungen, wie beispielsweise den möglichen Ertrag einer Photovoltaikanlage, sind statistische Angaben über das örtliche Strahlungsangebot ausreichend, beispielsweise in Form von monatlichen oder jährlichen Mittelwerten der Einstrahlung. Für das Verständnis der Solarzelle selbst sowie deren ingenieurtechnische Weiterentwicklung ist jedoch auch die spektrale Zusammensetzung der Einstrahlung von Bedeutung.

Dieses Kapitel dient der Beschreibung des auf der Erde nutzbaren Strahlungsangebots der Sonne. Dazu werden zunächst die physikalischen Eigenschaften von Strahlung betrachtet, die zu der Vorstellung von Lichtteilchen führten. Anschließend sollen die Vorgänge in der Sonne sowie der Einfluss der Erdatmosphäre näher betrachtet werden. Schließlich sind eine Reihe nutzungsabhängiger Parameter zu berücksichtigen, wie die geographische Lage oder die Ausrichtung der Empfangsfläche.

In Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie. Sie wird durch eine Reihe aufeinander folgender Prozesse bestimmt: Die Absorption der Photonen im Halbleitermaterial, die Erzeugung von Elektron‐Loch‐Paaren und die Trennung der Ladungsträger im elektrischen Feld eines p‐n‐Übergangs. Nach einer kurzen Einführung in die Halbleitertheorie und die Grundlagen von Generation und Rekombination wird zunächst das Modell einer idealen Solarzelle als p‐n‐Übergang aufgestellt. Daraus lassen sich dann die Einschränkungen bei realen Elementen ableiten.

Solarzellen lassen sich mit unterschiedlichen Technologien herstellen. Man unterscheidet anhand des Kristall‐ und Zellaufbaus kristalline Solarzellen – an ihnen wurde das Funktionsprinzip der Solarzelle in Kap. 3 erläutert – und Dünnschichtzellen. Der Photovoltaik‐Markt wird derzeit von kristallinen Solarzellen dominiert, die gut 90 % der Weltproduktion ausmachen. Neue Technologien wie organische Solarzellen oder kristalline Solarzellen mit mehreren Bandabständen befinden sich in unterschiedlichen Stadien der Entwicklung und sind von einer Markteinführung noch unterschiedlich weit entfernt.

Photovoltaikanlagen spielen eine zunehmende Rolle innerhalb des Energieerzeugungssystems in Deutschland. Die Leistung reicht dabei von kleinen, mehrere Kilowatt großen Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern über gebäudeintegrierte Anlagen auf großen Flachdächern oder in Glasfassaden bis hin zu Megawattanlagen auf großen Freiflächen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist die richtige Dimensionierung der entscheidende Faktor. In diesem Kapitel werden die einzelnen Komponenten einer Photovoltaikanlage vorgestellt, ihre Abstimmung aufeinander erläutert und die Rahmenbedingungen für einen wirtschaftlichen Betrieb dargestellt.

Unser überwiegend auf fossilen Energieträgern beruhendes Energiesystem befindet sich in einer Krise. Modellrechnungen zeigen, dass es im Bereich der Stromerzeugung auch für ein hochindustrialisiertes Land wie Deutschland möglich ist, die fossilen und nuklearen Energieträger bis zum Jahr 2050 weitgehend durch erneuerbare Energien abzulösen.

Die Photovoltaik zeichnete sich in den vergangen Jahren durch einen rasanten Zubau aus. Sie gehört mit der Windenergie zu den fluktuierenden Energieträgern, die neue Herausforderungen an die Leistungsregelung innerhalb des Verbundnetzes stellen. Dazu gehören einerseits eine verbesserte Ertragsprognose sowie der Ausbau von Netz‐ und Speicherinfrastruktur. Andererseits nehmen Photovoltaikanlagen zunehmend aktiv am Lastmanagement der Netzbetreiber teil und erbringen so wichtige Systemdienstleistungen für eine sichere und nachhaltige Stromversorgung.