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 relativ teurer Weg, um elektrische Energie auf der Basis erneuerbarer Energiequellen bereitzustellen. Dennoch ist ihr Beitrag zur weltweiten Energieversorgung kräftig gestiegen. So wuchs die jährliche Installation von PV-Anlagen allein von 2014 auf 2015 um 50 Gigawatt auf 227 Gigawatt an.

Der Beitrag von Photovoltaik zur weltweiten Energieversorgung ist 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 2014 mit 38,5 Terawattstunden einen Anteil von 5,9 Prozent an der Bruttostromerzeugung. Sie lagen damit deutlich hinter der Windenergie mit 13 Prozent und knapp hinter der Biomasse mit knapp sieben Prozent, aber vor der Wasserkraft mit drei Prozent. Das entsprach einer Steigerung der Bruttostromerzeugung seit dem Jahr 2000 um einen Faktor von etwa 400. Dem lag eine installierte Leistung von 39,7 Gigawatt-Peak zu Grunde. Das war im Vergleich zu 2000 eine Steigerung etwa um den Faktor 520.

 

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 und des REN Steering Committees die jährliche Weltproduktion an solchen Modulen von etwa 35 Megawatt im Jahr 1999 bis auf  mehr als 50 Gigawatt im Jahr 2015. Also um einen Faktor über 1400. Damit war eine Gesamtnennleistung an Photovoltaikanlagen von 227 Gigawatt erreicht. Diese Kapazität hätte nach Angaben von REN bei voller Auslastung im Jahr 2015 mit 275 Terawattstunden mehr als ein Prozent der globalen Stromversorgung decken können.

 

Weltweit stand im Jahr 2015 China mit einer installierten Leistung von 43,5 Gigawatt  an der Spitze der Top-Ten der Länder mit den höchsten installierten Leistungen bei Photovoltaikanlagen, knapp gefolgt von Deutschland mit 39,7 Gigawatt (knapp 18 der Weltinstallation) und Japan mit 34,4 Gigawatt. Außerdem waren Italien (18,9 GW), Großbritannien (9,1 GW), Frankreich (6,6 GW) und Spanien mit 5,4 Gigawatt auf den Plätzen 5 bis 8 der Liste der Top-10 zu finden.