Photovoltaikprinzip

Photovoltaik – Elektrische Energie aus Sonnenlicht

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Obwohl der technische Fortschritt der zugrunde liegenden Techniken seit Anfang des neuen Jahrtausends enorm ist, bleibt dies heute immer noch ein teurer Weg, um elektrische Energie auf der Basis erneuerbarer Energiequellen bereitzustellen.

Der Beitrag von Photovoltaik zur weltweiten Energieversorgung kräftig gestiegen. So wuchs die jährliche Weltproduktion von Solarmodulen von etwa 35 Megawatt im Jahr 1999 bis  auf  circa 37 Gigawatt im Jahr 2013. Damit war eine Gesamt-Nennleistung an Photovoltaikanlagen von knapp 140 Gigawatt-Peak erreicht. Diese Kapazität hätte 2013 knapp ein Prozent der globalen Stromversorgung decken können.

Das Prinzip

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Werden Photonen, also Lichtteilchen, in geeigneten Materialien absorbiert, so entstehen positive und negative elektrische Ladungsträger, die sich innerhalb dieser Materialien nahezu frei bewegen können; die Energie der Photonen wird dabei zu einem wesentlichen Teil auf diese Ladungsträger übertragen. In photovoltaischen Energiekonvertern werden diese Ladungsträger in Solarzellen selektiv, nach positiven und negativen Ladungen getrennt, zu äußeren Elektroden transportiert und diese dadurch elektrisch geladen. Deshalb entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung. Aufgrund dieser Spannung können die Ladungsträger in einem externen Stromkreis einen elektrischen Strom erzeugen und Arbeit verrichten. Die entsprechende Energie ist umgewandelte Sonnenenergie.

Grafik, Schichtquerschnitt: Auf dünner grauer Fläche, dem Rückseiten-Kontakt, ein sechsmal dickerer grüner Block, die p-Basis. Darauf wieder dünne, hellgrüne Schicht, die n-Emitter. An zwei Stellen ragt die hellgrüne Schicht durch die darüberliegende, noch dünnere, graue Passivierung, darauf jeweils ein grauer Frontkontakt. Um die Frontkontakte rundherum eine hellgelbe Antireflexschicht.
Struktur einer einfachen Siliziumsolarzelle, oben Licht absorbierend

Für eine effiziente technische Umsetzung dieses Prinzips müssen vor allem drei Punkte beachtet werden. Zum einen muss der Transport der energetisch angeregten Ladungsträger zu den Elektroden schnell erfolgen, weil in den Absorbermaterialien auch Prozesse ablaufen, bei denen die durch Lichtabsorption erzeugten freien Ladungsträger wieder vernichtet werden. Ihre Energie wird bei diesen Rekombinationsprozessen im Wesentlichen in unerwünschte Wärme umgewandelt. Zum anderen muss dafür gesorgt werden, dass die Energiekonverter das breite Solarspektrum mit Photonenenergien, die sich um einen Faktor 8 unterscheiden, wirksam umsetzten. Nicht zuletzt kommt es darauf an, die entsprechenden Energiekonverter kosteneffektiv herzustellen. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil die Solarenergiekonversion wegen der vergleichsweise geringen Strahlungsdichte der Sonne auf der Erde stets eine großflächige Technologie sein wird. Dazu werden in einer Photovoltaikanlage eine Vielzahl von Solarzellen zu sogenannten Solarmodulen verbunden, um eine möglichst effiziente Stromgewinnung zu erreichen, denn im günstigsten Falle beträgt die Strahlungsenergie pro Zeit und Fläche, die von der Sonne auf der Erde ankommt, nur 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Mit dem Wirkungsgrad der besten Photovoltaikanlagen können damit heute bis zu ca. 120 W/m² und mehr an elektrischer Leistung erzeugt werden.

Photovoltaik heute

Photovoltaikanlagen hatten in Deutschland im Jahr 2013 mit 30 Terawattstunden einen Anteil von rund fünf Prozent an der Bruttostromerzeugung. Sie lagen damit deutlich hinter der Windenergie mit acht Prozent und der Biomasse mit sieben Prozent, aber vor der Wasserkraft mit drei Prozent. Das entsprach einer Steigerung der Bruttostromerzeugung seit dem Jahr 20000 um einen Faktor 500. Dem lag eine Gesamt-Nennleistung von 36 Gigawatt-Peak zu Grunde. Das war im Vergleich zu 2000 eine Steigerung um den Faktor 315.

Die Produktion von Solarmodulen ist nicht nur in Deutschland kräftig gestiegen sondern auch weltweit. So wuchs nach Angaben des IEA (International Energy Agency, Paris) Photovoltaic Power Systems Programms die jährliche Weltproduktion an solchen Modulen von etwa 35 Megawatt im Jahr 1999 bis auf  ca. 37 Gigawatt im Jahr 2013. Also um einen Faktor von deutlich über 1000. Damit war nach Angaben der Firma BP vom Juni 2014 eine Gesamt-Nennleistung an Photovoltaikanlagen von knapp 140 Gigawatt-Peak erreicht. Diese Kapazität hätte bei voller Auslastung im Jahr 2013 knapp 0,9 Prozent der globalen Stromversorgung decken können, mit steigender Tendenz.

In Europa steht Deutschland an der Spitze der Top-Ten der Länder mit den höchsten installierten Leistungen bei Photovoltaikanlagen, gefolgt von Italien mit 17,6 Gigawatt und, mit deutlichem Abstand, Spanien und Frankreich mit 4,7 Gigawatt. Insgesamt waren im Jahr 2013 in der EU 79 Gigawatt Peak-Leistung an Photovoltaikanlagen installiert, also knapp 60 Prozent der installierten Weltleistung. Nach Angaben der IEA  fanden die größten Kapazitätszuwächse in Asien und hier vor allem in der Volksrepublik China statt.