Photovoltaik Zellen in Solarmodul.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Solarzellen – wie geht das?


Meine Photovoltaik-Anlage – wie funktioniert sie?

Versucht man, Informationen über Solarzellen zu sammeln, wird es schnell unübersichtlich. Oft wird nicht zwischen Hausinstallationen und anderen Anwendungen unterschieden – wie z.B. Weltraumanwendungen und Solartaschenrechner. Das ist verwirrend und für uns überflüssig. Auch die Funktionsweise ist oft unzureichend oder äusserst kompliziert beschrieben.
Wir haben uns daher dazu entschieden, einen einfachen Überblick über die für Hausinstallationen angewendeten Solarzellen zu erstellen und deren wichtigste Eckdaten kurz und prägnant zu präsentieren. Auf anderweitige Anwendungen werden wir daher im Folgenden nicht eingehen.


Silizium und seine Kristalle

Die Grundlage für die Funktion einer Solarzelle auf unserem Hausdach ist Silizium. Dieses wird in Kristallform aus einzelnen Platten zu einem Solarmodul zusammengebaut. Dabei wird unterschieden zwischen polykristallinen und monokristallinen Zellen (siehe unten).

Die fertigen Zellen sind rechteckig (ca. 16x16cm) und äusserst dünn.


Gemessen wird die Qualität einer Solarzelle am Wirkungsgrad. Dieser liegt bei polykristallinen Zellen bei ca. 15-18% und bei monokristallinen Zellen über 20%. Weiter unten gehen wir darauf ein, was dies für unsere Installation auf dem Hausdach konkret bedeutet.

Polykristalline Zellen

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Polykristalline Zellen werden typischerweise gegossen und sind deshalb relativ günstig herzustellen. Sie heissen „polykristallin“ weil die Kristallorientierung innerhalb des Silizium-Materials nicht eindeutig vorgegeben ist und daher chaotisch in alle Richtungen verläuft. 

Monokristalline Zellen 

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Monokristalline Zellen werden ähnlich wie Computerchips aus speziell hergestellten Siliziumplatten aufgebaut, in denen die Orientierung der Kristalle vorgegeben und bei allen Kristallen identisch ist. Da dies innerhalb der Produktion zusätzliche Arbeitsschritte verlangt, sind diese Zellen teurer als polykristalline Zellen.

Wie entsteht Strom?

Die Silizium-Zellen sind so behandelt, dass es innerhalb der Zelle drei Schichten gibt: Zuoberst eine negativ geladene Schicht (Elektronen-Überschuss), eine neutrale Schicht in der Mitte und darunter eine positiv geladene Schicht (fehlende Elektronen). Die überschüssigen Elektronen der oberen Schicht werden durch die postitive, untere Schicht angezogen und bleiben in der mittleren, neutralen Schicht hängen. So ist im Ruhezustand ein Gleichgewicht der Ladungen vorhanden.

Einwirkendes Licht in Form von Lichtwellen (Photonen) regt diese Elektronen an, diese fliessen zurück in die Schicht mit Elektronenüberschuss. Es entsteht daher eine Spannung zwischen der obersten (-) und untersten (+) Schicht. Schliesst man nun den Stromkreis zwischen diesen Schichten, fliesst ein Strom, der genutzt werden kann. Es handelt sich dabei um Gleichstrom.

Wie entsteht ein Solar-Panel?

Ein Solarpanel oder Solarmodul wird zusammengesetzt aus einzelnen Zellen, wie sie oben beschrieben wurden. Diese werden zwischen einer Glasscheibe und einer Kunststoffolie eingeschlossen und dieser Aufbau mit Aluminium umrahmt. Kommerziell erhältliche Solarmodule haben meist Abmessungen von ca. 1,70m x 1,0m und enthalten typischerweise 60 Solarzellen. Diese werden zu einem durchgehenden Stromkreis zusammengelötet, den man zentral an einer Stelle des Panels an die Solarinstallation anschliessen kann.


Kilowatt-Peak, Wirkungsgrad, Ertrag – was zählt für mich?

Auch die in technischen Datenblättern angegebenen Werte sind oft unübersichtlich. Wir möchten daher die entsprechenden Zusammenhänge herstellen.

Kilowatt-Peak

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Die Peakleistung einer Anlage beschreibt die maximale Leistung der Anlage bei idealen Lichtverhältnissen (Lichtstärke und Einfallswinkel). Sie wird in Kilowatt-Peak ausgedrückt oder kurz “kWp“. Eine kleine Hausdach-Anlage hat typischerweise eine Leistung von 6-10 kWp, während es bei Grossinstallationen theoretisch keine Grenze nach oben gibt und vielfach auf Industriebauten und Flachdächern Leistungen von mehreren 100 kWp umgesetzt wurden.

Wirkungsgrad

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Der Wirkungsgrad wird in Prozent angegeben und sagt aus, welcher Anteil der Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Da Solarmodule meistens gleiche oder ähnliche Abmessungen haben, zeigt sich dies konkret in der Leistung einzelner Module.

·       Polykristalline Module haben bei idealen Lichtverhältnissen eine Leistung von ca. 250 Watt.

·       Monokristalline Module haben bei gleichen Abmessungen eine Leistung von 300-350 Watt oder sogar noch höher.

Was bedeutet dies konkret? Soll eine Anlage klein, aber leistungsfähig sein, empfiehlt sich der Einsatz von monokristallinen Modulen. So wird auf kleinem Platz eine hohe Leistung erzeugt.

Ist hingegen viel Platz vorhanden und der Kostenfaktor im Vordergrund, genügt die Verwendung von polykristallinen Modulen.

Ertrag

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Dieser Wert ist ein Mass für die Energie, die eine Anlage über ein Jahr verteilt liefern wird. Dabei spricht man in der Schweiz von einem Ertrag von ca. 950 kWh pro kWp. Konkret im Beispiel:

Eine Anlage mit einer Peakleistung von 10 kWp wird über ein Kalenderjahr gemessen etwa 9500 kWh Strom produzieren.

Lebensdauer

Solarzellen sind robust und langlebig. Bereits heute gibt es die meisten Solarmodule mit extensiver Herstellergarantie (10, 15 oder sogar 20 Jahre Garantie); typischerweise hat eine Solarzelle nach 20 Jahren noch ca. 80% ihrer ursprünglichen Leistung. Weltweite Erfahrungen mit älteren Anlagen bestätigen diesen Trend, so sind auch Anlagen in Betrieb, die 30 Jahre oder älter sind.

Fazit

Solarzellen sind eine spannende Anwendung der Physik und ein interessantes Phänomen der Natur. Umso spannender und interessanter ist es, sich solch eine Anlage aufs Dach zu montieren und damit den eigenen Strom zu produzieren!