Berlin. Die Photovoltaik ist keine neuartige Technologie mehr. Längst sind Solaranlagen Normalität. Doch wie funktioniert die Photovoltaik?

• Photovoltaik in der Energiewende: Dank staatlicher Förderungen werden PV-Anlagen für Neu- und Bestandsbauten für mehr Hausbesitzer interessant
• Woher kommt Photovoltaik? Wir werfen einen bLick auf die Geschichte und Entstehung der Solarenergie
• Von der Effizienzsteigerung über neue Materialien bis zur dezentralen Stromerzeugung – welches Potenzial bietet die Solarenergie für die Zukunft?

Die Photovoltaik hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, insbesondere im Kontext der globalen Energiewende und dem zunehmenden Bedarf an nachhaltigen Energielösungen. Darüber hinaus hat die in den vergangenen Monaten intensivierte Debatte über steigende Energiepreise dafür gesorgt, dass die Nutzung von regenerativen Energien stärker in den Fokus von Verbraucherinnen und Verbrauchern gerückt ist. Hinzu kommt: Der Einbau von Solaranlagen wird vom Staat gefördert. Neue Produkte wie etwa Balkonkraftwerke kamen in den letzten Jahren auf den Markt gekommen. Nicht nur Hauseigentümer, auch Verbraucher, die keinen Wohnraum besitzen, sondern in einer Mietwohnung leben, spielen deshalb mit dem Gedanken, sich eine Photovoltaik-Anlage anzuschaffen.

Doch was genau verbirgt sich hinter dem Begriff Photovoltaik (PV)? Wie funktioniert eine Solaranlage und was sind die Vorteile dieser sauberen Energiequelle? Wir geben Ihnen hier einen kurzen Überblick über die Funktionsweise einer PV-Anlage und erklären unter anderem die Unterschiede zwischen den verschiedenen Solarzellen.

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Geschichte der Photovoltaik

Die Geschichte der Photovoltaik reicht bis ins 19. Jahrhundert zurück, als Wissenschaftler erstmals den photovoltaischen Effekt entdeckten - die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im 20. Jahrhundert wurden erste Solarzellen für die Raumfahrt entwickelt und fanden schließlich ihren Weg in kommerzielle Anwendungen.

In Deutschland hat die Photovoltaik eine besondere Geschichte. Im Zuge des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 wurde die Photovoltaik stark gefördert, was zu einem Boom in der Installation von Solaranlagen und der Produktion von Solarzellen führte. Deutschland war zu dieser Zeit weltweit führend in der Photovoltaik-Technologie und -Produktion.

Obwohl die heimische Solarindustrie in den folgenden Jahren aufgrund internationaler Konkurrenz wie etwa aus China und sinkender Förderung einen Rückgang erlebte, bleibt Deutschland ein wichtiger Akteur im Bereich der Photovoltaik. Heute ist die Photovoltaik eine Schlüsseltechnologie in der nachhaltigen Energieversorgung und leistet einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen weltweit.

Photovoltaik-Prinzip: Wie funktionieren Solarzellen?

Eine der häufigsten Fragen im Zusammenhang mit Photovoltaik lautet: Wie funktionieren Solarzellen? Der Kern einer jeden Photovoltaikanlage sind die Solarzellen, die das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht durch den photovoltaischen Effekt, bei dem Lichtquanten (Photonen) Elektronen in einem Halbleitermaterial anregen und so einen elektrischen Strom erzeugen.

Komponenten einer Photovoltaikanlage

Neben den Solarzellen besteht eine Photovoltaikanlage aus weiteren wichtigen Komponenten:

• den Solarmodulen, die mehrere Solarzellen zusammenfassen,
• dem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt,
• dem Montagesystem, das die Module am gewünschten Ort befestigt, sowie
• einem Batteriespeicher (optional), der überschüssige Energie speichert.

Hier finden Sie die Funktionen der einzelnen Komponenten nochmal im Überblick:

Arten von Solarzellen

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die sich hauptsächlich in ihrem Material und ihrer Herstellung unterscheiden:

• monokristalline,
• polykristalline und
• Dünnschicht-Solarzellen.

Monokristalline Solarzellen sind besonders effizient, aber auch teurer, während Dünnschicht-Solarzellen flexibler und kostengünstiger, aber weniger effizient sind.

Wirkungsgrad und Leistung von Photovoltaikanlagen

Ein wichtiger Faktor für die Bewertung von Photovoltaikanlagen ist ihr Wirkungsgrad, also das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur eingestrahlten Lichtenergie. Moderne Photovoltaikanlagen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 20 Prozent. Die Leistung einer Photovoltaikanlage hängt jedoch auch von weiteren Faktoren ab, wie der Ausrichtung und Neigung der Module, der lokalen Sonneneinstrahlung und der Temperatur.

Warum hat die Temperatur einen Einfluss auf die Wirkung einer PV-Anlage?

Die Temperatur spielt eine wesentliche Rolle bei der Leistung von Photovoltaikanlagen. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, deren elektrische Eigenschaften sich mit der Temperatur ändern. Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Leitfähigkeit des Materials zu, was jedoch paradoxerweise zu einem Rückgang der Effizienz der Solarzellen führt. Dies liegt daran, dass bei höheren Temperaturen der sogenannte Bandabstand in den Halbleitermaterialien abnimmt. Dies ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vom valenz- in den leitenden Zustand zu versetzen.

Wenn dieser Bandabstand abnimmt, wird weniger der Energie, die von den Photonen des Sonnenlichts aufgenommen wird, in nutzbare elektrische Energie umgewandelt und mehr als Wärme abgegeben. Deshalb ist es wichtig, Photovoltaikanlagen so zu planen und zu installieren, dass sie gut belüftet sind und nicht zu heiß werden, um ihre Effizienz zu maximieren.

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Anwendungen der Photovoltaik

Die Anwendungen der Photovoltaik sind vielfältig: von kleinen Anlagen auf Wohngebäuden, die den Eigenbedarf an Strom decken, über solare Großkraftwerke, die Strom für Tausende von Haushalten liefern, bis hin zu mobilen Anwendungen wie Solarladegeräten für Handys oder Solarleuchten. Zudem spielen Photovoltaikanlagen eine immer größere Rolle in der Elektromobilität, indem sie beispielsweise Ladestationen für Elektroautos mit grünem Strom versorgen oder direkt in Fahrzeugen integriert werden, um die Batterie während der Fahrt aufzuladen.

Letztlich ermöglicht die Photovoltaik die dezentrale Erzeugung von Strom direkt dort, wo er benötigt wird, reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Zudem sind die Betriebskosten einer Photovoltaikanlage gering, da Sonnenlicht als Energiequelle kostenlos und unerschöpflich zur Verfügung steht.

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Zukunft der Photovoltaik

Die aktuelle Forschung und Entwicklung konzentriert sich auf die Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen, die Entwicklung neuer Materialien und Fertigungstechniken sowie die Integration von Photovoltaik in Gebäude und Infrastrukturen. Darüber hinaus ermöglichen innovative Geschäftsmodelle und sinkende Kosten für Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher immer mehr Menschen und Unternehmen den Zugang zu sauberer Solarenergie.