Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?
Ein Photovoltaik-Anlage wandelt die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Der Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte diesen photoelektrischen Effekt schon 1839. Alle Photovoltaik-Anlagen, die heute für die Stromgewinnung in Privathäusern, Gewerbebetrieben und in Solarparks im Einsatz sind, nutzen diesen physikalischen Effekt. Damit er funktioniert, braucht es zwei Dinge: Einen festen Verbundstoff – in einer Solarzelle sind das in der Regel Halbleiterschichten aus Silizium – und eine Photonenquelle, also das Sonnenlicht.
Unsere Photonenquelle, also die Sonne, hat großes Potenzial: In nur einer Stunde kommt so viel Energie auf der Erde an, dass man damit theoretisch den weltweiten jährlichen Strombedarf von rund 22.500 Terawattstunden decken könnte.
So entsteht der Strom in einer Solarzelle
Die meisten modernen Solarzellen bestehen aus zwei Silizium-Halbleiter-Schichten, die durch eine Übergangsschicht voneinander getrennt sind. Während die obere Halbleiterschicht negativ geladen ist, ist die untere positiv geladen. Treffen nun Photonen aus der Sonnenstrahlung auf die Halbleiterschicht, lösen sich die Elektronen aus dem Halbleiter und beginnen sich zu bewegen: Die negativ geladenen Elektronen wandern zur Oberseite der negative geladenen Schicht. An ihrer Stelle bleiben positiv geladene Löcher zurück, die sich zur Unterseite der positiv geladenen Schicht bewegen. Die Bewegung der Elektronen erzeugt in der Übergangsschicht zwischen den beiden Halbleitern elektrische Spannung. Sie wird über Metallkontakte als Gleichstrom (DC) abgeleitet.
Eine Zelle schafft nur wenig Strom
Die Spannung, die in einer Solarzelle erzeugt wird, ist relativ gering. Je nachdem, wofür der Strom aus der Solarzelle genutzt werden soll, braucht es also einen Verbund vieler Zellen. Das kann ein Mini-Verbund für den Betrieb einer Gartenlampe sein und reicht über ein Balkon- oder ein Dachkraftwerk bis hin zu großen Multi-MW-Freiflächenanlagen.
Allerdings: Vor der Einspeisung in öffentliche oder in Hausnetz muss der Gleichstrom über einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden.
Das Wort „Photovoltaik" (kurz: PV) setzt sich aus dem griechischen Wort „photo“ (Licht) und dem Wort „Volt“ (Maßeinheit für elektrische Spannung) zusammen.