Alle Infos zu einer PV-Anlage Wie funktioniert Photovoltaik? Aufbau einer Solaranlage

Die Photovoltaikanlage zählt bei der Planung vieler Neubauten bereits zur Selbstverständlichkeit. Aber wie funktioniert sie? Ein Überblick über die Funktionsweise der Photovoltaik - denn steigende Energiekosten, Umweltbewusstsein sowie der vermehrte Einsatz innovativer Technologien wie Wärmepumpen sprechen für die Installation einer Photovoltaikanlage. Moderne Photovoltaik Speichersysteme für den produzierten Strom optimieren zudem den Einsatz der Photovoltaik.

Wie funktioniert Photovoltaik? Eine PV Anlage wandelt Sonnenenergie in Strom.

Photovoltaik – Das Wichtigste in Kürze

Bevor man sich für die Installation einer Photovoltaikanlage entscheidet, sollte man sich über einige Fakten bewusst sein:

  • Funktion: Photovoltaik-Anlagen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Durch den sogenannten photovoltaischen Effekt werden die in den Solarzellen enthaltenen Halbleitermaterialien angeregt und erzeugen so Gleichstrom. Dieser wird dann durch einen Wechselrichter in den für den Haushaltsgebrauch benötigten Wechselstrom umgewandelt.
  • Umweltfreundlichkeit: PV-Anlagen tragen zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei und leisten somit einen Beitrag zum Klimaschutz. Durch die Nutzung von Sonnenenergie wird der Bedarf an fossilen Brennstoffen verringert und somit die Umweltbelastung reduziert.
  • Finanzielle Vorteile: Neben den ökologischen Aspekten bieten Photovoltaikanlagen auch langfristige finanzielle Vorteile, weil Nutzer keinen teuren Strom von ihrem Netzbetreiber mehr zukaufen müssen. 

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Einspeisevergütung und Fördermittel für die Photovoltaik

Sowohl für die Neuinstallation wie auch für die Nachrüstung eines Gebäudes mit Photovoltaik stehen verschiedene Fördermittel zu Auswahl. Dies gilt ebenfalls für die Installation von Batteriespeichersystemen. Vor allem diese Systeme erlauben es dem Betreiber einer Photovoltaikanlage, die mittels Photovoltaik produzierte und nicht verbrauchte elektrische Energie, für einen späteren Verbrauch zu speichern. Alternativ erhalten Anlagenbesitzer eine Photovoltaik Einspeisevergütung für das Einspeisen des nicht verbrauchten Stroms in das öffentliche Energienetz. 

So verwandelt die Photovoltaik Sonnenenergie in Strom

Die einfachste Version einer Solaranlage ist die Solarthermie, die Sonnenenergie in Wärme verwandelt. Etwas komplizierter ist die Photovoltaik. Hier wandelt die Photovoltaikanlage die Kraft der Sonne in elektrische Energie um. Für diesen Zweck sind Solarzellen aus Halbleitermaterialien erforderlich, die bei der Zufuhr von Wärme und Licht eine elektrische Leitfähigkeit entwickeln und den Prozess der Photovoltaik in großen Solaranlagen, sowie kleineren PV-Anlagen, wie wir sie in unserem Balkonkraftwerk Test zeigen, ermöglichen.

Das bevorzugte Halbleitermaterial ist Silizium. Denn als zweithäufigstes Element auf der Erde ist es in ausreichenden Mengen vorhanden und lässt sich umweltverträglich gewinnen und verarbeiten - zum Beispiel in Photovoltaikanlagen. Der so erzeugte Strom kann dann in Stromspeichern, wie sie etwa bei kleineren PV-Anlagen vorkommen, den sogenannten Balkonkraftwerken mit Speicher, gesichert werden.

Eine für die Photovoltaik genutzte Solarzelle besteht aus zwei Schichten mit unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial. Der Übergang zwischen diesen beiden Schichten wird als Grenzschicht bezeichnet. Hier baut sich bei Lichteinfall ein elektrisches Feld auf, das integrierte Metallkontakte als elektrische Spannung abführen. Ein angeschlossener elektrischer Verbraucher schließt den äußeren Kreis zwischen den Metallkontakten ober- und unterhalb der Halbleiterschichten und es fließt Gleichstrom, den ein nachgeschalteter Wechselrichter in Wechselstrom umwandelt. So kann die aus der Photovoltaikanlage gewonnene Energie weiterverarbeitet werden.

Photovoltaik: Von der einzelnen Solarzelle zum Solarmodul

Der Prozess der Photovoltaik in einer einzelnen Solarzelle würde einen viel zu geringen Effekt aufweisen. Denn bei Silizium beträgt die durch die Metallkontakte abgreifbare Spannung ungefähr 0,5 V. Dies bedeutet, dass eine Solarzelle mit einer Fläche von 100 cm² eine maximale Leistung von 2 Ampere erzielt. Daher ist es für die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage erforderlich, einzelne Zellen zu größeren Einheiten zu verschalten. Die Verschaltung erfolgt, abhängig vom späteren Einsatzbereich, entweder parallel oder in Serie. Serienschaltungen produzieren höhere Spannungen, während Parallelschaltungen höheren Strom erzeugen.

Nach der Verschaltung der 10 x 10 oder 15 x 15 Zentimeter großen Solarzellen entsteht das Solarmodul für die Photovoltaik, indem die Zellen in bevorzugt transparentes Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet und mit einem Aluminium- oder Stahlrahmen umfasst werden. Eine Glasabdeckung schützt das Solarpanel der zukünftigen Photovoltaikanlage.

Viele einzelne Solarzellen ergeben ein Solarmodul - und diese dann die Solaranlage

Tipp: Mehr Informationen zu Solarpanel Balkon Lösungen erhalten Interessierte in unserem Ratgeber. Dort finden diese auch  unseren aktuellen Balkonkraftwerk Testsieger

Nennleistung von Solarzellen in der Photovoltaik

Die Nennleistung einer Photovoltaik Solarzelle wird mit WattPeak (Wpeak) angegeben, wobei sich diese ermittelten Werte immer auf Ergebnisse von Tests unter Standardbedingungen beziehen und daher ausschließlich als Vergleichswerte mit anderen Produkten dienen. Folgende Parameter liegen diesen Messungen zugrunde:

  • Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius
  • Bestrahlungsstärke von 1000 Watt pro Quadratmeter
  • Sonnenlichtspektrum gemäß AM von 1,5. (AM bezeichnet als relatives Maß der Astronomie die Länge des Lichtwegs zwischen Erdatmosphäre und Erdoberfläche)

Weichen die eigenen Standortbedingungen von den Standardparametern ab, produziert ein Solarmodul der Photovoltaikanlage mehr oder weniger elektrische Energie. Heiße Sommertage mit späten Sonnenuntergängen wirken sich auf den Prozess der Photovoltaik positiv aus und die Leistung der Photovoltaikanlage liegt oberhalb der Nennleistung. Im Winter wiederum erzielt die Photovoltaik eine geringere Energieausbeute.

Die wichtigsten Leistungsfaktoren einer Solaranlage für Photovoltaik

Wie hoch die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage ist, hängt von zahlreichen Faktoren ab und kann nur unter Berücksichtigung des Standorts und der dort vorliegenden Bedingungen ungefähr berechnet werden.

Dies sind die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Photovoltaik, auf die der Artikel "Voraussetzungen für die Installation einer Photovoltaik-Anlage" detailliert eingeht:

  • Solarstrahlung
  • Umgebungstemperatur
  • Verschaltung der Solarzellen in Parallel- oder Serienschaltung
  • Ausrichtung der PV Module
  • Dachneigung
  • Art des Photovoltaik Moduls
  • Degradation (Leistungsminderung durch Alterung)

Neueste Tests an verschiedenen Modultypen ergaben eine minimale Degradation der Solarzellen im Bereich von 0,1 bis 0,5 Prozent. Daraus resultiert eine kaum wahrnehmbare Leistungsminderung. Vor allem unter dem Aspekt der Amortisation, die aufgrund der kontinuierlich sinkenden Kosten/Preise nach spätestens zehn Jahren eintritt, und der langen Lebenszeit der Solarmodule von bis zu 30 Jahren, wirkt sich dies kaum auf die Rentabilität einer Photovoltaikanlage aus.

Hinweis: Die Funktionsweise einer PV-Anlage kann durch die Integration einer Notstromfunktion erweitert werden. Bei einem Stromausfall ermöglicht diese Funktion die Versorgung kritischer Lasten mit gespeichertem Solarstrom.

Photovoltaik-Modultypen und ihre Eigenschaften

Zum aktuellen Zeitpunkt stehen für die Photovoltaik drei verschiedene Modultypen zur Auswahl. Sie unterscheiden sich teilweise in ihrer Leistungsfähigkeit, aber auch in der Degradation, also Leistungsminderung, der Photovoltaik-Zellen. Als Halbleitermaterial kommt bei allen Varianten in der Regel Silizium zum Einsatz.

Kristalline Solarmodule unterscheiden sich in monokristalline Photovoltaik Module und polykristalline Photovoltaik Module. Polykristalline Photovoltaik-Module werden, im Gegensatz zu monokristallinen PV-Zellen, nicht in einem Stück gefertigt. Daraus ergibt sich ein weniger homogenes Kristallgitter mit geringen Ladungsträgerverlusten. Diese Verluste kompensiert der spezielle Modulaufbau polykristalliner Solarzellen. Dadurch ergeben sich kaum relevante Leistungsunterschiede zwischen polykristallinen und den wesentlich teureren monokristallinen Solarmodulen für die Photovoltaik.

Dünnschichtmodule mit amorphem Silizium sind sehr preisgünstig. Allerdings zeigen sie auch die größten Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrads, der ungefähr nur halb so groß ist wie jener der kristallinen Module. Zugleich sind Photovoltaik-Dünnschichtmodule anfälliger gegen Witterungseinflüsse. Dies gilt auch für die Lebensdauer einer aus Dünnschichtmodulen bestehenden Photovoltaikanlage, die signifikant unter der von kristallinen Photovoltaik-Modulen liegt.

Produktivität der einzelnen Photovoltaik-Modultypen

Ein wichtiges Merkmal ist der Wirkungsgrad der einzelnen Module für die Photovoltaik, wobei zwischen dem im Labor ermittelten und dem tatsächlichen (produktiven) Wirkungsgrad gravierende Unterschiede bestehen.

Monokristalline Module - Labor 24 %; produktiv 14 bis 17 %
Polykristalline Module - Labor 18 %; produktiv 13 bis 15 %
Dünnschichtmodule - Labor 13 %; produktiv 5 bis 7 %

Ein weitere Thema ist die Degradation, also die Leistungsminderung der Photovoltaik, durch Alterung und witterungsbedingtem Verschleiß der verschiedenen Photovoltaik-Module während der Nutzungsdauer. Während es sich hier um eine sogenannte lichtinduzierte Degradation handelt, tritt vor allem bei den Dünnschichtmodulen eine potenzialinduzierte Leistungsminderung auf. Dieser in den ersten 1.000 Betriebsstunden eintretende dauerhafte Leistungsverlust ist vor allem bei Photovoltaik Modulen aus amorphem Silizium, also Dünnschichtmodulen, besonders hoch.

Kristalline Photovoltaik-Module einer Solaranlage zeigen eine vernachlässigbare anfängliche Degradation, die sich für die weitere Lebenszeit der Module auf 0,1 bis 0,5 % reduziert. Im Vergleich dazu verlieren Dünnschichtmodule mit amorphen Siliziumzellen in der ersten Betriebsphase durch den sogenannten Staebler-Effekt bis zu 25 % ihrer Leistungsfähigkeit. Nach diesem ersten leistungsmindernden Prozess kommt die Degradation bei Dünnschichtmodulen einer Photovoltaikanlage zum Stillstand. Spezielle Wärmebehandlungen sind in der Lage, den Staebler-Effekt zum Teil rückgängig zu machen.

Die kontinuierlich fortschreitende technologische Entwicklung trägt maßgeblich zur Steigerung des Wirkungsgrads der Photovoltaik Module bei. Auf diese Weise wird die Photovoltaik immer mehr zur effektiven und rentablen Solaranlage für die Gewinnung elektrischer Energie.

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homeandsmart Redaktion Samira Kammerer

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