Solarenergie wird durch Photovoltaik gewonnen. Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Dies geschieht mit Hilfe von Solarzellen, die meist aus gewöhnlichem Quarzsand hergestellt werden.

zurück zur Übersicht

Die physikalische Grundlage der Solarzellen ist der innere Photoeffekt, wie er in Halbleitern auftritt: Das Sonnenlicht erhöht die Energie eines Teils der Elektronen, die dadurch zum elektrischen Stromfluss beitragen können.

Der Photoeffekt allein liefert aber noch keine Photospannung; normalerweise würden die durch Sonnenstrahlung ins Leitungsband gehobenen Elektronen nach sehr kurzer Zeit in ihren Grundzustand zurückfallen. Dem kann mittels einer geeigneten Konstruktion aus dotierten Halbleiterschichten entgegengewirkt werden.

Eine Solarzelle ist vereinfacht aus einer n-halbleitenden und einer p-halbleitenden Schicht aufgebaut. Dort, wo die Schichten sich berühren, im p-n-Übergang, entsteht ein inneres elektrisches Feld, weil Elektronen in den p-Halbleiter und Löcher in den n-Halbleiter wandern, um das Gefälle der Ladungsträger in der Grenzschicht auszugleichen.

Erzeugt die Sonnenstrahlung durch den inneren Photoeffekt ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe des p-n-Übergangs, so wandert unter dem inneren Feld das Elektron zum n- und das Loch zum p-Halbleiter. Dadurch entsteht eine dem inneren Feld entgegengesetzt gerichtete Photospannung von etwa 0,5 Volt, die mittels Kontaktierungen auf Vorder- und Rückseite der Zelle abgegriffen werden kann.

zum Seitenanfang

Die elektrische Leistung einer einzelnen Solarzelle ist zu klein, um sie einzeln zu betreiben. In Photovoltaikanlagen sind daher viele Solarzellen zu Modulen zusammengeschaltet. Mehrere Module zusammen bilden einen Photovoltaikgenerator.

Eine typische Photovoltaikanlage hat drei Teile: den Photovoltaikgenerator, der aus mehreren Modulen besteht, den Wechselrichter bei Netzanschluss oder Stromaufbereitung und Speicher bei netzunabhängigem Betrieb (»Inselbetrieb«) und schließlich das Montagegerüst.

Der Photovoltaikgenerator ist entweder fest auf dem Gerüst installiert - dann ist er nach dem jahresmittleren Sonnenstand ausgerichtet - oder er wird auf Trackern - das sind Vorrichtungen, die dem Nachführsystem der Heliostaten ähnlich sind -, nach dem aktuellen Sonnenstand ausgerichtet, sodass die direkte Sonnenstrahlung immer senkrecht auf dem Photovoltaikgenerator auftrifft und ihm dadurch ihr Maximum anbietet. Photovoltaikanlagen von Sonnenhäusern sind in der Regel nicht nachgeführt, als Montagegerüst dient hier die Außenhaut des Hauses: das Dach und die Wände. Da ein Sonnenhaus, wenn es nicht um die Stromversorgung im Inselbetrieb geht, auch keine Batterie benötigt, reduziert sich seine Anlage im Grunde auf den Photovoltaikgenerator und den Wechselrichter.

Da höhere Temperaturen, gleich ob durch den Aufstellungsort bedingt oder als Folge innerer Verluste, schädlich sind - der Photovoltaikwirkungsgrad sinkt, wenn die Temperatur steigt -, sollte rückseitig Luftzirkulation zur Wärmeabfuhr möglich sein.

zum Seitenanfang

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage beträgt nach einem Daumenwert etwa 70 Prozent des Wirkungsgrads einer einzelnen Solarzelle. Die Verluste gegenüber der einzelnen Zelle sind hauptsächlich Leiterverluste, und auch die Umrichtung von Gleichspannung auf Wechselspannung geht nicht verlustfrei vonstatten. Damit hat eine typische Photovoltaikanlage einen Wirkungsgrad von etwa 10 Prozent.

zurück zur Übersicht

(c) Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, 2003

Die Geschichte der Photovoltaik geht bis auf den französischen Physiker Alexandre Edmont Becquerel zurück. Der entdeckte im Jahre 1839, dass bestimmte Substanzen unter Lichteinstrahlung Elektrizität erzeugen.

1883
Die erste Solarzelle wird hergestellt. Werkstoff ist der Halbleiter Selen. 1% der eingestrahlten Energie wird in elektrischen Strom umgewandelt.

1905
Albert Einstein erklärt den Photoeffekt.

1921
Albert Einstein erhält den Nobelpreis für Physik, u. a. für seine Theorie zur Erklärung des photovoltaischen Wirkungsprinzips.

1954
Die amerikanischen Wissenschaftler Fuller, Pearson und Chapin entwickeln die erste Silizium-Solarzelle mit 5% Wirkungsgrad. Ziel war es, die Energieversorgung der Satelliten im Weltall zu sichern.

1958
Der US-Satellit Vanguard I nutzt die Photovoltaik erstmals als Energiequelle im Weltraum. Umfangreiche Forschungsarbeiten und Entwicklungsmöglichkeiten verbessern die Technik. Entscheidungskriterien für Solarzellen sind ihre Lebensdauer, das geringe Gewicht, die Zuverlässigkeit und der geringe Wartungsaufwand.

Ab etwa 1970
Die Photovoltaik wird zur Energieversorgung von netzfernen Einrichtungen auf der Erde eingesetzt. Auslöser ist die Ölpreiskrise im Jahr 1973: Forschung und Entwicklung verbessern die Leistungsfähigkeit, die Kosten sinken rapide.

Ab etwa 1980
Die Photovoltaik wird netzgekoppelt angewendet. Erste Häuser mit Solarstromanlagen speisen ins eigene Hausnetz ein.

1990
Der Deutsche Bundestag beschließt das Stromeinspeisegesetz: Strom aus erneuerbaren Energiequellen darf von jedermann ins öffentliche Netz eingespeist werden.

2000
Das Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (EEG) wird vom Deutschen Bundestag beschlossen.

2004
Änderungsgesetz zum EEG (PV-Vorschaltgesetz). Dieses Gesetz regelt die neuen Einspeisebedingungen für Solarstrom