Photovoltaik

Geschichte und Funktion der Solarzellen
Die Sonne gibt uns nicht nur Wärme, sondern auch Elektrizität. Schon 1839 entdeckte Alexander Bequerel den photovoltaischen Effekt. Er tauchte zwei metallische Platten in eine leitfähige Flüssigkeit und bemerkte, dass bei Sonnenbestrahlung die Spannung zwischen den Platten anstieg. Es dauerte dann allerdings noch weitere 100 Jahre, bis im Jahr 1954 Wissenschaftler der Firma Bell Telephone in den USA beobachteten, dass an elektronischen Bauteilen aus dem Halbleiter-Werkstoff Silizium eine elektrische Spannung auftrat, sobald Licht darauf fiel. Sie gingen dieser Entdeckung nach, und schließlich entstanden daraus die sogenannten Solarzellen, mit deren Hilfe man Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandelt. Dieses als "Photovoltaik" (PV) bezeichnete Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass Licht aus bestimmten Halbleiteroberflächen Elektronen herausschlägt, die sich dann im Material bewegen und als elektrischer Strom ableitbar sin

Wie funktioniert die photovoltaische Energieumwandlung?
Als Grundstoff für Solarzellen wird heutzutage fast immer Silizium verwendet. Je nach Herstellungsverfahren unterscheidet man drei Arten von Silizium-Solarzellen: Monokristalline Solarzellen bestehen unabhängig von ihrer Größe aus einem einzigen Siliziumkristall; aufgrund ihrer aufwendigen Herstellung sind sie sehr teuer, haben jedoch einen höheren Wirkungsgrad (15-20 Prozent) als polykristalline Solarzellen (13-16 Prozent). Polykristalline Solarzellen werden mit einem wesentlich geringeren Energieaufwand (und somit billiger) gefertigt. Den geringsten Wirkungsgrad weisen amorphe Solarzellen auf, die meist nur in Kleingeräten wie Taschenrechnern angewendet werden. In der Praxis greift man vor allem auf die monokristallinen Solarzellen zurück: Die einzelnen Solarzellen werden mit elektrischen Anschlüssen versehen in Glas oder Kunststoff eingebettet und an geeigneten Stellen, z.B. auf Dächern, montiert. Die Spannung einer einzelnen Zelle ist für die meisten Anwendungsfälle zu niedrig, deshalb schaltet man mehrere Zellen zu so genannten Modulen hintereinander. Bei Lichteinwirkung werden freie Ladungsträger erzeugt und durch das innere elektrische Feld nach ihrer Polarität getrennt. Die elektrische Gleichspannung wird durch beiderseitig angebrachte Kontakte nach außen geführt, über die die Elektronen fließen können. Sonnenscheindauer in Deutschland Das Silizium wird in Scheiben von wenigen zehntel Millimetern geschnitten. Durch gezieltes Verunreinigen (Dotieren) mit Phosphor und Bor erzielt man in einer dünnen Oberflächenschicht einen Überschuss an Elektronen (n-Silizium), im Rest des Materials einen Mangel an Elektronen (p-Silizium). Es entsteht im Übergangsbereich ein inneres elektrisches Feld (Raumladungszone, RL-Zone).

So funktioniert Solarstrom
Sonnenlicht wird durch Solarmodule direkt in Gleichstrom umgewandelt.
Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird durch den Wechselrichter unmittelbar in 230 V-Wechselstrom bzw. 400 V-Drehstrom umgewandelt und kann elektrische Verbraucher, z. B. die eines Hauses speisen. Der Wechselrichter arbeitet dabei im sogenannten Netzparallelbetrieb, das heißt Spannung und Frequenz des erzeugten Stromes stimmen mit dem des öffentlichen Netzes überein. Dadurch wird der gesamte aus Sonnenlicht produzierte Strom in das öffentliche Netz eingespeist.

Temperatur
Auf steigende Temperaturen reagieren Solarzellen mit Leistungsreduzierung. Pro 10°C Zellentemperatur über der Standardbedingung von 25°C fällt die Leistung der Zelle um cirka 6%.
Bei einer Zellentemperatur von 60°C, wie es im Sommer durchaus keine Seltenheit ist, leistet die Anlage also noch maximal knapp 80% des möglichen Spitzenwertes, wenn optimale Einstrahlungsverhältnisse (1000 W/m 2 ) vorliegen. Die Module sollten deshalb auf eine Unterkonstruktion mit einigen Zentimetern Abstand zum Dach montiert werden, um für eine ausreichende Hinterlüftung der Solarmodule zu sorgen.

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