Technik

Photovoltaik Technik

Photovoltaik ermöglicht als einzige Technologie die direkte Gewinnung von Strom aus Sonnenlicht. Dass Licht nicht nur Wärme erzeugt, sondern in bestimmten Materialien auch Elektronen bewegt – also Elektrizität erzeugen kann – hat der französische Physiker Alexandre Edmont Becquerel im Jahr 1839 zufällig bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen entdeckt.

Diesen photoelektrischen Effekt konnte Albert Einstein 1905 mit seiner Lichtquantentheorie bzw. in einer noch spezifischeren Abhandlung 1907 erklären, wofür er den Nobelpreis erhielt. Wenn Licht bzw. ein Lichtteilchen mit genügend großer Energie auf einen Halbleiter oder Metall trifft, wird ein Elektron aus seiner Bindung gelöst. Bis aber die Solarzellen wirklich zur Stromgewinnung eingesetzt werden konnten, verging noch viel Zeit. Die damals sehr teuren Zellen dienten erst ab 1958 zur Energieversorgung von Satelliten. Dabei hatte schon der New Yorker Charles Fritts 1883 ein PV-Vorläufer-Modell aus Selenzellen (Halbleiter Selen mit dünner Goldbeschichtung) entwickelt, das Strom erzeugen konnte. Der Wirkungsgrad von rund ein bis zwei Prozent reichte aber nicht zur normalen Stromerzeugung, dafür fand seine Erfindung als Belichtungsmesser in der Fotografie Einsatz.

Halbleiter und Sonnenenergie

Für brauchbare PV-Zellen benötigte es noch einige Fortschritte in der Halbleitertechnik. Der polnische Chemiker Jan Czochralski hat zwar schon 1916 das dafür wichtige Kristallziehverfahren entdeckt, dieses wurde aber erst in den 1940-er Jahren weiterentwickelt.

In dieser Zeit wurde viel in diesem Bereich geforscht und Silizium als besonders geeignetes Material entdeckt. Es wurde auch erkannt, dass Dotierungen mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften beeinflussen und einen sogenannten p-n Übergang schaffen, der für effiziente PV-Zellen wichtig ist. In Halbleitern können die freien Ladungsträger (neben Elektronen auch sog. Löcher bzw. Elektronenfehlstellen, die positive Ladungsträger in Halbleitern darstellen) durch ein internes elektrisches Feld, das durch den p-n-Übergang erzeugt wird, gezielt gelenkt werden. Der effizienten Stromerzeugung steht damit nichts mehr im Weg.

Vielfalt an PV-Zellen

In den berühmten Bell Laboratories in New Jersey entwickelten Darly Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson im Jahr 1953 die erste kristalline Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 4 Prozent. Zuerst wurden die teuren PV-Zellen nur für Spezialeinsätze wie etwa in Satelliten eingesetzt.

Heute weisen etwa monokristalline Siliziumzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent aus, die günstigeren polykristallinen Zellen bis zu 20 Prozent. Aber auch Dünnschichtzellen – etwa mit amorphem Silizium, die normalerweise einen maximalen Wirkungsgrad von 8 Prozent haben, können als Tandem- bzw. Triplezellen in semitransparenter Bauweise samt Nutzung unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit (Bandlücke) bis zu 20 Prozent Wirkungsgrad erreichen. Mit Galliumarsenidzellen sind in Experimenten gar Wirkungsgrade bis zu 41,1 Prozent gemessen worden. Wegen des hohen Preises kommen sie aber nur in der Raumfahrt zum Einsatz.

Mittlerweile gibt es zahlreiche unterschiedliche Verfahren für Dünnschichtsolarzellen, die sich etwa wie CdTe-Zellen sehr günstig produzieren lassen und durchaus einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Weiters gibt es noch organische Solarzellen (OPV), die sehr günstig, aber nicht so langlebig sind sowie Farbstoffzellen (Grätzelzellen), die sich an der Photosynthese orientieren und bei den organischen Solarzellen den bislang besten Wirkungsgrad von über 10 Prozent erzielen.

Genaue Planung

Wichtig für den optimalen Einsatz von PV sind Faktoren wie die Ausrichtung zur Sonne, die jährliche Sonneneinstrahlung sowie die Umgebungstemperatur. Die Module erzeugen Gleichstrom, weshalb auch mittels Wechselrichter erst Wechselstrom in entsprechender Spannung erzeugt werden muss, um etwa auch ins Netz einspeisen zu können. Sonnenstrom kann aber auch zum Laden von Batterien zur autarken Versorgung von abgelegenen Gebäuden, Berghütten und Elektroautos verwendet werden.

Die Nennleistung von PV-Anlagen wird in Watt Peak (Wp) angegeben. Dabei wird eine Leistung unter gewissen Testbedingungen gemessen (maximale Sonneneinstrahlung in einer Region, genormte Umgebungstemperatur), die einen Vergleich ermöglicht.

Der Ertrag einer PV-Anlage wird in Kilowattstunden (kWh) pro Jahr angegeben. Wichtig für einen guten Ertrag ist möglichst wenig Beschattung, die optimale Ausrichtung zur Sonne und je nach Zellenart eine gute Kühlung der Module (Hinterlüftung bzw. auch eine Kombination mit solarthermischen Modulen).

Der PV-Boom hat gerade erst richtig begonnen, da die technologische Entwicklung rasant voranschreitet und die Preise für Photovoltaikmodule in den letzten Jahren stark gesunken sind. In den Labors wird weiterhin intensiv an zahlreichen neuen Technologien geforscht, um noch effizientere und kostengünstigere Produkte zur Sonnenstromgewinnung auf den Markt zu bringen.