Solarzellen wandeln die von der Sonne empfangene elektromagnetische Strahlungsenergie auf direktem Wege in elektrische Energie um. Ihre Funktionsweise beruht auf dem photovoltaischen Effekt, den man auch als den inneren lichtelektrischen Effekt bezeichnet. Solarzellen bestehen meist aus Silizium, das aus dem Ausgangsstoff Quarzsand gewonnen wird.


Funktionsweise von Photovoltaikanlagen

Bei voller Sonneneinstrahlung (1.000 W/m²) trifft auf eine Solarzelle mit der Größe von 10 x 10 cm eine Solarstrahlung mit einer Leistung von etwa 10 Watt. Die Zelle wandelt diese in eine elektrische Leistung von etwa 1 bis 1,5 Watt um. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 10 bis 15 Prozent. Die restliche Energie geht verloren. Um größere Leistungen bereitzustellen, werden die einzelnen Solarzellen zu Modulen zusammengeschaltet. Pro Quadratmeter Generatorfläche beträgt die Spitzenleistung über 100 Watt. Auf das Jahr betrachtet schwanken in Deutschland die Erträge zwischen 800 kWh/m² und 1.000 kWh/m², je nach Standort und Ausrichtung der Anlage. Dies bedeutet eine Verringerung an CO2-Emissionen von rund 65 kg pro Jahr.

Bei Photovoltaikanlagen unterscheidet man die Anlagen mit Netzkopplung und solche, die im Inselbetrieb arbeiten. Letztere haben einen Akku und oft eine Zusatzenergieversorgung. Eine Photovoltaikanlage besteht aus einem Generatorfeld, das sich aus einzelnen Solarmodulen zusammensetzt. In Modulen zusammengeschaltet befinden sich die eigentlichen Solarzellen. Da die Solarmodule Gleichstrom erzeugen, muss dieser über einen Wechselrichter in den netzkonformen Wechselstrom umgewandelt werden. Die Module werden bei Flachdächern aufgeständert montiert, ansonsten können sie in die Dachhaut integriert werden. Auch die Einbindung in Fassaden ist möglich.

Wirkungsgrad und Typen von Solarzellen

Bei den Siliziumsolarzellen unterscheidet man je nach Kristallart drei Zellytpen:

• Monokristallin: Die Monokristallinen Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristall und haben den höchsten Wirkungsgrad. Ihre Produktion ist jedoch aufwendig und teuer.
  
• Polykristallin: Die kostengünstigeren polykristallinen Solarzellen sind am weitesten verbreitet. Sie sind aus einem Block gegossen und erhalten durch die ungleichmäßige Abkühlung eine strukturierte Oberfläche.
  
• Amorph: Die amorphen Siliziumzellen werden auf ein Trägermaterial aufgedampft, was sie zu sehr dünnen Zellen werden lässt. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich, wie z.B. Uhren, Taschenrechner etc.
  

Der in Datenblättern ausgewiesene Wirkungsgrad wird bei Standardtestbedingungen ermittelt, d. h. bei einer Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² eines Sonnenspektrums, das unter schrägem Einfall die 1,5-fache Atmosphärendicke durchdrungen hat, und bei einer Zelltemperatur von 25° C. In der Praxis werden etwas geringere Werte erreicht.

Siliziumzellen	Wirkungsgrad Labor	Typischer Wirkungsgrad
monokristallin	25%	15-17,5%
polykristallin	20%	14-15%
amorph	12%	5-7%

Photovoltaikanlagen

Hauptsächlich wird die Photovoltaik in Anlagen genutzt, die an das öffentliche Netz angeschlossen sind. Die Anschaffung einer Photovoltaikanlage zur Stromversorgung eines Haushaltes ist noch recht teuer, wenn man die Kosten mit dem preiswerten Strom aus dem Netz vergleicht und die öffentliche Förderung außer Acht lässt. Wirtschaftlich ist die Photovoltaik an abgelegenen Standorten, an denen kein Netzanschluss zur Verfügung steht. Es gibt weitere Einsatzbereiche für Solarzellen, in denen bereits eine volle Wirtschaftlichkeit erreicht ist, z. B. beim Betrieb von elektronischen Geräten wie Taschenrechnern, Uhren etc. Die Anschaffung solcher Geräte erspart die Kosten für die Batterien und der Umwelt die schädigenden Batteriebestandteile. Geräte, die auf Batterien nicht verzichten können, lassen sich mit Akkus betreiben, die mit einem Solarladegerät aufgeladen werden können. Die Versorgung von Wohnmobilen, Campingfahrzeugen, Booten, Gartenhäusern, Garagentorantrieben, Wetter- und Messstationen, Elektroweidezäune, Verkehrszeichen, Warneinrichtungen, Autobahntelefonen und Parkautomaten mit Solarstrom ist ebenfalls oft schon wirtschaftlich. In Entwicklungsländern mit unzureichender elektrischer Infrastruktur ist die Wirtschaftlichkeit noch in viel größerem Maße gegeben.

In Deutschland ist der Strom aus Photovoltaikanlagen durch eine festgelegte Einspeisevergütung nahezu wirtschaftlich. Unter Umständen werden auch öffentliche Fördermittel für den Anlagenbau gezahlt.

Der photovoltaisch erzeugte Strom hat erhebliche Vorteile für die Umwelt: Knappe fossile Ressourcen werden geschont und die Kohlendioxidemissionen vermindert.

Literaturhinweis:
Das 4-seitige BINE-Infoblatt "basisEnergie - Photovoltaik" erklärt Grundlagen und Technik der Photovoltaik. In einfacher Weise wird erklärt, wie aus Sonnenlicht Elektrizität entsteht und in welchen Bereichen Photovoltaik eingesetzt wird. Eine pdf-Version finden Sie hier: BINE_Photovoltaik.pdf