Photovoltaikanlagen: Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

Photovoltaikanlagen: Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

 

Die Photovoltaik ist eine Technik zur direkten Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie. Obwohl das Prinzip schon seit 1839 bekannt ist, begann die Nutzung von Strom aus Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen erst im Raumfahrtzeitalter.

 

Allerdings standen von Anfang an sehr hohe Preise einer nur geringen Leistung gegenüber, was bis heute ein wesentliches Hemmnis für die breite Einführung dieser Technik ist. Dennoch ist die Idee bestechend: Die Sonne ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle, die Zellen benötigen keinen Brennstoff, arbeiten ohne Emissionen und sind in dieser Hinsicht im Betrieb umweltfreundlich. Freilich sinkt bei schwachem Sonnenschein die Leistungsabgabe und man braucht bei einem großem Energiebedarf viel Fläche. Zudem wird die Klimabilanz deutlich schlechter, wenn man nicht nur den Betrieb, sondern auch den Aufwand für die Herstellung bewertet.

 

 Grundprinzip von Solarzellen

 

Die Photovoltaik nutzt den inneren Photoeffekt: Eingestrahltes Licht löst Elektronen aus ihrem Bindungszustand heraus. Bei Halbleiterkristallen verlassen die Elektronen den Festkörper nicht, werden aber im Kristall frei beweglich, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Unter Halbleitern versteht man Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur zwischen der von Metallen und der von Isolatoren liegt, die jedoch mit zunehmender Temperatur ansteigt. Je nachdem, ob sie zur Leitung Elektronen abgeben oder aufnehmen, unterscheidet man n-leitende und p-leitende Halbleiter. Dieses Verhalten kann man durch den Einbau bestimmter Fremdatome wie Bor oder Phosphor in den Halbleiter erzeugen.

 

Bislang werden die meisten Solarzellen aus hochreinem Silizium gefertigt. Sie setzen sich aus einer n-leitenden und einer p-leitenden Schicht zusammen. An der Grenzfläche beider Schichten baut sich ein elektrisches Feld auf. Fällt Licht auf die Zelle, so setzt es unterschiedliche Ladungsträger frei. Das elektrische Feld trennt die Ladungsträger, was eine Spannung über die Anschlusskontakte der Zelle erzeugt. Schaltet man ein Gerät zwischen diese Kontakte, so kann Strom fließen. Die Anschlusskontakte bestehen aus einer ganzflächigen Metallschicht auf der Unterseite und aus fingerartig gestalteten Metallkontakten auf der Oberseite, damit noch Sonnenlicht auf die Halbleiterschicht einfallen kann. Um Verluste durch Reflexion zu verringern, wird auf der Oberseite eine bläuliche Antireflexschicht aufgetragen.

 

 Arten von Solarzellen

 

Den besten Wirkungsgrad erreichen monokristalline Zellen. Allerdings ist die Herstellung von Silizium-Einkristallen aufwendig und teuer. Etwas billiger lassen sich polykristalline Zellen (aus vielen Kristallen) fertigen, die aber weniger effizient sind. Als technisch machbar gilt es, rund 30 % der einfallenden Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Mit speziellen Tandemzellen (Doppelzellen) konnten im Laborversuch Werte deutlich darüber erzielt werden. Für den praktischen Einsatz genügen billig herstellbare Zellen mit einem über längere Zeit konstanten Wirkungsgrad von 15 %.

 

Große Hoffnungen ruhen auf der Dünnfilmtechnik. Dazu wird amorphes Silizium (die Moleküle sind nicht als Kristallgitter regelmäßig angeordnet) auf ein Trägermaterial wenige Millionstel Meter (μm) dick aufgebracht. Diese Zellen sind erheblich billiger, Wirkungsgrad und Langzeitstabilität sind aber noch unbefriedigend. Deshalb wird an anderen Materialsystemen gearbeitet, beispielsweise aus Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS).

 

Einzelne Solarzellen liefern, je nach Halbleitermaterial, eine Spannung von circa 0,5 V bis gut 1 V. Für technische Anwendungen ist das meist zu wenig. Deshalb schaltet man mehrere Zellen in Reihe, wobei sich die Spannungen aufsummieren. Solche Module haben meist 0,5 m² Grundfläche und leisten bei einer Gleichspannung von 6-30 V zwischen 5-150 W. Durch Zusammenschalten mehrerer Module lassen sich hohe Leistungen erzielen.

 

 Einsatz

 

Bislang beschränkt sich der wirtschaftliche Betrieb noch auf spezielle Anwendungen wie Parkscheinautomaten oder Taschenrechner. Doch auch an entlegenen Standorten weitab von einem Stromnetz kann Solarstrom mit einem Preis von zz. etwa 1,50 DM pro Kilowattstunde schon heute mit Strom aus einem Dieselaggregat konkurrieren. Eine Photovoltaikanlage läuft im Idealfall drei Jahrzehnte und mehr fast wartungsfrei. Um die Stromversorgung auch nachts sicherzustellen, brauchen Photovoltaiksysteme als zweite wichtige Komponente einen Energiespeicher. Die Batterien müssen jedoch hohen Anforderungen genügen, und bislang gibt es keine wirtschaftlich vertretbare Möglichkeit der Energiespeicherung, um die jahreszeitliche Schwankung auszugleichen.