Wie funktioniert Photovoltaik? Was ist der Unterschied zwischen PV und Solar? Und was bedeutet eigentlich Monokristallin, Polykristallin oder Dünnschicht im Kontext von Solaranlagen?
Wir wissen wie verwirrend das ganze Thema zu Beginn sein, weswegen wir es uns zur Aufgabe gemacht haben in einfachen Worten und mit Sinnvollen Analogien die WonderPower der Sonne greifbar für alle zu machen. Im ersten Beitrag dieser Serie möchten wir uns auf das offensichtlichste Element fokussieren, die Module selbst.
Aber halt, heißt es jetzt eigentlich PV- oder Solarmodul?
Umgangssprachlich wird oft der ganze Bereich unter dem Wort “Solar” zusammengefasst, das kann jedoch schnell zu Verwirrung führen. Die Energie der Sonne kann nämlich in verschiedenen Bereichen genutzt werden. Dabei kommt der ursprüngliche Begriff von dem Lateinische “solarius”, was soviel bedeutet, wie “zur Sonne gehörig”. Heutige Technologien nutzen diese Energie primär in zwei Anwendungsfällen. Einerseits um Energie in Form von Wärme nutzbar zu machen, was unter dem Begriff der Solarthermie bekannt ist, und zum Anderen wird die Energie genutzt, um sie in elektrischen Strom umzuwandeln, jene Anwendung wird als Photovoltaik (kurz PV) bezeichnet.
Dennoch macht es im alltäglichen Sprachgebrauch meist keinen großen Unterschied und beide Begriffe werden verstanden.
Was ist nun das Geheimnis des Sonnenlichts?
Woher kommt denn nun der Strom, es ist doch nur Licht? Um die Funktionsweise von PV Modulen zu verstehen, muss man als erstes einen genaueren Blick auf das Licht der Sonne werfen. Das Besondere am Sonnenlicht ist, dass es weitaus komplexer ist, als das was wir sehen können. Physikalisch wird Licht als eine From von elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, wobei manche Bereiche dieser Strahlung für das menschliche Auge sichtbar sind. Eine einfache Erklärung ist, dass das Licht der Sonne aus winzigen Teilchen, den Photonen, besteht. Diese bewegen sich in Form von Wellen und oder Teilchen durch den Raum. dabei kann Licht in unterschiedliche Farben und Wellenlängen unterschieden werden, was die Erklärung für unsere bunte Welt im Spektrum des sichtbaren Lichts liefert. In Abhängigkeit zur Wellenlänge des Lichts gibt es jedoch noch etliche weitere Spektren von Licht als Faustregel kann man sich dabei merken, dass Licht großer Wellenlänger weniger Energie in sich trägt, als Licht kleiner Wellenlängen. Wir haben bestimmt alle die Begriffe ultraviolet und infrarot schon einmal gehört. Das liefert somit die Erklärung, warum wir Menschen bei kontakt zu Ultraviolettem (kurzwelligen Licht) braun werden und warum Infrarotlicht gefahrlos genutzt werden kann um beispielsweise den Fernseher zu bedienen. Je nach Quelle des Lichts kann es demnach über weniger oder mehr Energie verfügen.
Doch wie wird aus Licht Strom?
Wir wollen an dieser Stelle nicht zu tief in Materie einsteigen, dennoch ist ein kleiner Exkurs in die Halbleiterphysik von Nöten, um die Funktionsweise eines PV Moduls zu verstehen. Das Bringt uns zum wichtigsten Element der Module, das Material. PV Module bestehen aus Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Silizium. Das besondere an diesen Werkstoffen ist deren Reaktion, wenn sie in Kontakt mit Sonnenlicht kommen. Trifft das Licht auf die Oberfläche des Halbleiters, so wird ein Teil des Lichtes Absorbiert. Eine gute Vorstellungsweise ist es dabei die Photonen des Lichtes als winzige Energiepakete zu betrachten. Sobald nun ein solches Photon von dem Material absorbiert wird, gibt es seine Energie an die Elektronen innerhalb des Halbleiters ab und das Elektron wird auf ein höheres Energieniveau gebracht. Eine anschauliche Vorstellung dafür ist eine Leiter. Man auf jeder Stufe kann eine Person stehen und umso höher man stehen will, desto mehr Energie muss aufgewendet werden. Dadurch, dass das Elektron nun seine “alte Stufe” verlassen hat entsteht ein sogenanntes Elektronen-Loch-Paar und das System ist nichtmehr im Gleichgewicht. Von Natur her ist des das Bestreben der Elemente alle Lücken zu füllen, weswegen ein anderes Elektron des Halbleiters in Bewegung versetzt wird, um die Lücke zu füllen. Um das Gleichgewicht wieder herzustellen fangen also Elektronen an sich von A nach B zu bewegen, was die Definition von Elektrischem Strom ist.
Durch die effiziente Bauweise der PV Module wird der Strom bewusst so geleitet, dass er für uns nutzbar abgeführt werden kann. Das einzige Hindernis ist nun noch die Flussrichtung des Stroms. In PV Modulen fliest der Strom dauerhaft in gleiche Richtung, auch Gleichstrom genannt, unser Stromnetz benötigt jedoch Wechselstrom. Um die Umwandlung zu gewährleisten ist deshalb ein Wechselrichter von Nöten, aber dazu im nächsten Beitrag mehr.
Worin unterscheiden sich nun PV Module?
Wenn man sich für das richtige PV Modul entscheiden möchte, müssen viele Faktoren in Betracht gezogen werden. Was sind die Anforderungen an das Modul, wo wo und wie soll es befestigt werden, wie groß ist das Budged, wer ist der Hersteller und git es vielleicht zusätzliche Funktionen, die von Nöten sind? Um das ganze vorerst nicht zu kompliziert zu machen gliedern wir die verscheiden Arten der Module in drei Kategorien: Monokristalline Module, Polykristalline Module und Dünnschicht Module. Grundsätzlich gild, dass Monokristalline Module am teuersten sind, dafür jedoch am effizientesten. Jene Module bestehen aus einem einzelnen Siliziumkristall, der ein zusammenhängenden Kristallgitter bildet, was den Herstellungsprozess komplexer macht. Das Resultat ist dafür ein geringer Platzbedarf und die Module können mehr Strom auf der gleichen Fläche produzieren. Dazu kommt die sehr gleichmäßige äußere Erscheinung der Module. Die Farbe der Module ist meist dunkler, was zu einer höheren Absorption des Lichtes führt.
Polykristalline Module hingegen bestehen aus mehren Siliziumkristallen, was zu einem weniger einheitlichen Erscheinungsbild führt. Dafür ist der Herstellungsprozess aufwandsärmer, energieffizienter und damit günstiger. Der Wirkungsgrad des Moduls nimmt somit jedoch ab. Dennoch sind dies gern genutzte Module, um mittelgroße Flächen zu sinnvollen Kosten belegen zu können.
Dünnschichtmodule kommen meist bei Großprojekten in den Einsatz, da die Herstellung dieser deutlich kostengünstiger ist. Sie bestehen aus einer dünnen Schicht fotovoltaischen Materials, oft amorphem Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder Cadmiumtellurid (CdTe). Als Result ist der Wirkungsgrad zwar der geringste im Vergleich unter den drei Arten der Module, sie sind aber kostengünstiger und am flexibelsten in der Anwendung. Durch die materialarme Herstellung ist das Gewicht der module deutlich geringer und sie können auf Dächern mit geringen Lastreserven gefahrlos montiert werden.
Wir hoffen der grobe Einstieg in das energetische Thema der Photovoltaik hat sie genauso begeistert wie uns! Bei konkreten Fragen und Anregungen freuen wir uns mit Ihnen in persönlichen Kontakt zu treten, oder in einem Kommentar unter diesem Beitrag von Ihnen zu lesen.
Bis dahin wünschen wir Ihnen sinnige Grüße!
Ihre PowerRange