Photovoltaik - Solarzelle
Photovoltaik ist die direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie
1. Physikalisches
Grundbaustein einer Photovoltaikanlage ist die Solarzelle, Bild: Auf einem p-leitenden (elektrischer Strom wird im wesentlichen von positiven Ladungsträgern „Defektelektronen“ getragen) Siliciumkristall liegt eine n-leitende (eletrischer Strom wird im wesentlichen von Elektronen getragen) Siliciumschicht. Durch Diffusion und Rekombination der beweglichen Ladungsträger entsteht am p-n-Übergang eine an beweglichen Ladungsträgern verarmte Zone. Die verbleibenden ortsfesten positiven Ladungsträger in der n-Schicht und die ortsfesten negativen Ladungsträger im p-Kristall bauen ein starkes elektrisches Feld auf. Werden durch die Energie einfallenden Lichtes im Bereich des p-n-Überganges Ladungsträgerpaare erzeugt, so werden diese durch das elektrische Feld getrennt und negative Ladungen in die n-Schicht sowie positive Ladungen in den p-Kristall gezogen. Die so entstehende Spannung kann über Metallelektroden einen Strom durch einen Lastwiderstand RL treiben.
2. Technisches
Die Spannung einer Siliciumsolarzelle liegt unter 1 V. Durch Reihenschaltung mehrerer Zellen erreicht man 12 V bzw. 24 V. Diese Anordnung von Solarzellen kommt z.B. in Kunststoff eingebettet, mit Glas abgedeckt und metallgerahmt als Solarmodule in den Handel. Der energetische Wirkungsgrad beträgt z.Zt. bis zu 14%, theoretisch sind 43% erreichbar [S.Ulbig: Theoretischer Wirkungsgrad von Solarzellen höher als gedacht. Phys.Blätter 51 (1995) Nr.2], allerdings nicht mit dem im Bild dargestellten einfachen Aufbau.
3. Anwendung, Speicherung bzw. Weiterleitung der elektrischen Energie
3.1 Inselanlagen
Ist der Anschluß an das vorhandene Energienetz sehr teuer (Berghütten, Lauben, Parkscheinautomaten), kann der Einsatz der Photovoltaik eine kostengünstige Alternative sein. Die vom Modul bereitgestellte elektrische Energie wird über einen Regler einem (Blei-) Akkumulator zugeführt, der Nutzungszeiten während fehlender Sonnenstrahlung überbrückt und Kleinverbraucher wie Beleuchtung, Kühlschrank, Fernseher oder eben Parkscheinautomaten speist.
3.2 Anschluß an das Energienetz
Zur Weiterleitung an das 50 Hz Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz wird die vom Solarmodul in Form von Gleichstrom gelieferte Energie durch einen Wechselrichter in Wechselstrom- bzw. Drehstromenergie umgewandelt. Außerdem enthält der Wechselrichter elektrische Schutzvorrichtungen und regelt die Leistungsabgabe des Moduls in den maximal möglichen Bereich ( Maximal Power Point MPP), sodaß das Modul optimal genutzt wird: Die abgegebene Leistung (Stromstärke I * Spannung U) wächst von kleiner Stromstärke I zunächst linear an, erreicht den MPP und nimmt dann aufgrund fallender Spannung wieder ab.
4. Schlußbemerkung
Die Photovoltaik stellt eine Energiequelle sehr hoher Qualität (25 Jahre Herstellergarantie) dar, die geräuschfrei (keine bewegten Teile), wartungsarm, emissionsfrei und ohne Ressourcenverbrauch arbeitet. Die energetische Amortisationszeit, also die Zeit, in der die gelieferte Energie der zur Herstellung der Anlage aufgewandten Energie gleichkommt, beträgt z.Zt. weniger als 5 Jahre. Neue Entwicklungen werden die Amortisationszeit senken und den Wirkungsgrad verbessern: Auf diesem Wege sind mit der Dünnschichtzelle bereits 19% Wirkungsgrad erreicht worden. [Ch.Hebling, W Wettling: Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silicium. Spektr. der Wissenschaft, Febr.99]