Photovoltaik: Vorteile und Nachteile von Solaranlagen

In diesem informativen Ratgeber-Beitrag informieren wir Sie über die Historie der Solarenergie ebenso wie unterschiedliche Photovoltaik-Technologien und die technologische Disruption, die von der Sonnenstrom-Erzeugung in Deutschland einen weltweiten Siegeszug angetreten hat.

Die globale Energie-Revolution basiert neben Windkraftanlagen maßgeblich auf dem Einsatz von Photovoltaik. Überall werden Solarmodule und Wechselrichter genutzt, um Sonnenstrahlen bzw. Licht in elektrischen Strom zu wandeln. Der Siegeszug der Photovoltaik von der hoch geförderten Nischen-Technologie zur günstigsten Quelle der Energieerzeugung, ist atemberaubend. Eine Photovoltaikanlage wird heute meist auf Freiflächen oder Dachflächen installiert – aber die Einsatzgebiete werden vielfältiger. Dieser Cleanthinking-Ratgeber benennt die Vorteile und Nachteile der Photovoltaik, liefert Hintergründe zur Historie und zur solaren Disruption – und bietet umfassenden Überblick über die Themen Kauf und Installation heutiger PV-Anlagen im deutsprachigen Raum.

Definition: Was ist Photovoltaik?

Als Photovoltaik wird die Wandlung von Energie aus Sonnenlicht in elektrische Energie bezeichnet. Diese Wandlung durch Nutzung sogenannter Solarzellen. Seit 1958 haben monokristalline Solarzellen signifikant zum Erfolg der Raumfahrt beigetragen. Heute gibt es unterschiedliche Typen von Solarzellen, insbesondere polykristalline Solarzellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlicher Leistung. Die Photovoltaik-Technologie trägt maßgeblich zur globalen Energieversorgung der Zukunft mit Solarstrom und somit zur Energiewende mit Erneuerbarer Energien bei.

Wie weit reichen die Anfänge der Technologie in die Historie zurück?

Die aus menschlicher Sicht beinahe unendlich erscheinende Energie der Sonne wird nicht erst seit einige Jahrzehnten von den Menschen genutzt. Schon im Altertum dienten die Sonnenstrahlen als Wärmequelle – bei weitem nicht nur durch den Tag-Nacht-Zyklus, sondern auch als Wärmequelle darüber hinaus. Diesen Teil der Ausnutzung der Sonnenstrahlung bezeichnet man heute als Solarthermie.

Kennzeichnend für die Photovoltaik ist aber die Wandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie. Der 1820 geborene, französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte in seiner Jugend den photolektrischen Effekt. Ganz präzise entdeckte er 1939 gemeinsam mit seinem Vater den Becquerel-Effekt, eine Art des photoelektrischen Effekts. Der damals 19-jährige Becquerel stellte durch Licht hervorgegangene elektrische Spannungen an Elektroden fest. Der Effekt besagt also, dass elektrische Spannung zwischen zwei zunächst identischen Elektroden in einem Elektrolyten auftritt, von denen nur eine belichtet wird.

Dabei war die Entdeckung dieses photoelektrischen Effekts durch Alexandre Edmond Becquerel eher ein Zufall – wie so oft in der Technikgeschichte. Der Physiker tüftelte zu dieser Zeit mit elektrolytischen Zellen mit einer Anode und Kathode aus Platin. Immer wider überprüfte er, wie viel Strom zwischen den Elektroden floß. Seine bahnbrechende Erkenntnis, ohne die es die heutige Photovoltaik womöglich nicht geben würde: Immer dann, wenn mehr Licht auf die Zellen traf, floß mehr Strom.

Aus physikalischer Sicht erklären konnte sich der junge Mann diesen Effekt nicht. Erst dem berühmten Albert Einstein gelang es fast ein Jahrhundert später, im Jahr 1921, mit seiner Lichtquantentheorie diesen Effekt zu erklären. Lohn seiner Mühe: Einstein gewann hierfür den Nobelpreis für Physik. Dieser hätte womöglich auch Becquerel zugestanden – nach ihm ist heute immerhin ein Preis benannt. In Vergessenheit geraten ist Alexandre Edmond Becquerel somit nicht.

Innerer und äußerer Photoeffekt

Der Erfinder der Solarzelle ist daher im Grunde Alexandre Edmond Becquerel. Denn seine Erkenntnisse zum photoelektrischen Effekt, der auch abgekürzt als Photoeffekt bezeichnet wird, ist bis heute die Grundlage für die Solarzellen-Technologie. Wichtig zu wissen ist aber, dass zwischen dem inneren Photoeffekt und dem äußeren Photoeffekt unterschieden wird.

Licht (also Photonen) kommen beispielsweise mit Metall oder einer anderen Fläche in Berührung. Dadurch werden Elektronen aus den Atomen dieses Metalls freigesetzt. Dabei fließt elektrische Energie (= Strom). Beim äußeren Photoeffekt verlassen die Elektronen das Material. Beim inneren Photoeffekt jedoch findet das Ganze vorwiegend in Halbleitern, also in Festkörpern, deren Leitfähigkeit sich unter bestimmten Umständen ändert, statt. Beispielhaft kann dafür das Hinzugeben von Energie (Wärme, Licht) verantwortlich sein.

Adams, Fritts und Labsmachten die nächsten Schritte

William Grylls Adams und Charles Fritts sind zwei weitere Namen, die untrennbar mit der Geschichte der Solarenergie bzw. der Photovoltaik verbunden sind. Adams sorgte 1876 für die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Selen. Die Selen-Zellen hatten einen Widerstand von zwei Prozent. Adams leistete so wichtige Forschungsarbeit. Kurz danach, im Jahr 1883, schaffte es Charles Fritts aus den USA, die erste Solarzelle auf Basis von Selen zu bauen – der Wirkungsgrad lag bei ein bis zwei Prozent. Immerhin.

Nach den Selen-Zellen folgten Mitte des darauffolgenden Jahrhunderts Silizium-Solarzellen. Forscher war Bell Labs aus den USA. Bei Experimenten mit Silizium fiel ihm auf, dass Strom floss, sobald das Silizium mit Licht beschienen wurde. Bis heute ist Silizium einer der wichtigsten Rohstoffe der Photovoltaikzelle.

Die erste Silizium-Solarzelle

Die erste Silizium-Solarzelle entstand einige Jahre später auf Basis der gemachten Entdeckungen. Diese hatten immerhin einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Bis heute konnten Forscher die Ausbeute unter Normalbedingungen auf etwa 30 Prozent steigern. Die effizienteste Solarzelle der Welt schafft sogar fast 50 Prozent Wirkungsgrad – mehr dazu im nachfolgenden Text.

Als Erfinder der ersten Silizium-Solarzelle schließlich gelten der amerikanische Physiker Gerald Pearson und der Chemiker Calvin Souther Fuller. Ohne diese beiden elementaren Wissenschaften wäre es in den letzten Jahrzehnten nicht möglich gewesen, die Solarzelle zu erfinden, und Photovoltaik insgesamt zur wichtigsten Energiequelle zu machen, die wir derzeit auf dem Planeten zur Verfügung haben.

Wie funktionieren Solarzellen eigentlich?

Wie in der Definition zu Photovoltaik beschrieben, erzeugt eine Photovoltaikanlage elektrischen Strom aus Sonnenenergie bzw. wandelt die Sonneneinstrahlung in Gleichstrom um. Ein Wechselrichter übernimmt anschließend die Wandlung in Wechselstrom, so dass die Energie vom Dach im Haus als Solarstrom genutzt werden kann.

Heute gibt es mehrere unterschiedliche Arten von Solarmodulen – die Wichtigsten basieren auf monokristallinen und polykristallinen Solarzellen. Wichtig ist diese Unterscheidung, weil damit unterschiedliche Spezifika wie Leistung, Kosten und etwa Verhalten bei Bewölkung über der Anlage verbunden sind.

Prof. Volker Quaschning, HTW Berlin, erklärt die Funktionsweise einer Solarzelle.

Eine PV-Anlage besteht insbesondere aus zwei Komponenten: Den Solarmodulen einerseits und dem Wechselrichter andererseits. Die Solarmodule wiederum bestehen aus einer Vielzahl von Solarzellen, weil eine Zelle alleine nur relativ wenig Strom erzeugt. Typischerweise bestehen Solarmodule aus 60 solcher Zellen. Die Solarzelle ist für die Umsetzung des photoelektrischen Effekts zuständig.

Sobald Lichtstrahlen (= Photonen) auf die Solarzellen treffen, wird Solarenergie produziert. Dazu setzen die angesprochenen Photonen der Sonnenstrahlen in den Schichten der Solarzelle Elektronen frei, die als Gleichstrom durch die Kabel fließen. Der so erzeugte Gleichstrom geht daraufhin in den Wechselrichter, um ihn in haushaltsüblichen Wechselstrom zu wandeln.

Monokristalline Solarzellen

Während monokristalline Zellen auch bei diffusem Licht, also wenn die Sonne oberhalb der Wolken scheint und das Sonnenlicht nicht direkt auf die Solarzellen bzw. Solarmodule trifft, heutzutage immer bessere Leistung liefern, sind sie anfällig für hohe Temperaturen. In Deutschland bedeutet das: Ab Juni wird es auf einem typischen deutschen Hausdach zu heiß, so dass die Leistung und damit der Solarstrom-Ertrag der monokristallinen Solarmodule stark nachlässt. Und die nachlassende Leistung, der geringere Wirkungsgrad der Solarmodule bedeutet schließlich höhere Kosten.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Zellen sind wegen ihrer quadratischen Form auffallend. Sie sind weniger ertragreich in diffusem Licht, dafür aber wenig temperaturempfindlich bei heißen Temperaturen – und mit diesen hohen Temperaturen müssen wir aufgrund der Erderwärmung zunehmend arbeiten. Je näher die Photovoltaikanlage am Äquator platziert wird, umso wahrscheinlicher ist also der Einsatz polykristalliner Solarzellen.

Eine kristalline Solarzelle besteht aus drei Halbleiter-Schichten – genauer aus der n-Schicht (negativ geladene äußere Schicht), der p-Schicht (positiv geladenene äußere Schicht) und der dazwischen liegenden Grenzschicht.

Die oberste, negativ geladene Halbleiter-Schicht wird durch das Einbringen von Fremdatomen wie beispielsweise Bor oder Phosphor leitfähig gemacht. In dieser Schicht sind die einzelnen Atome gesättigt – dadurch befinden sich freie Elektronen darin. Als Halbleiter-Material wird zumeist Silizium eingesetzt, daher spricht man auch von der Silizium-Schicht.

Die untere Silizium-Schicht hingegen, die mit Bor-Atomen angereichert ist, enthält zu wenige Elektronen.

In der Grenzschicht wiederum sind gesättigte Silizium-Atome. Über diese wandern die überschüssigen Elektronen der n-Schicht in die p-Schicht, um sich an die überschüssigen Bor-Atome anzudocken. Durch diese Bewegungen bildet sich ein elektrisches Feld innerhalb der Solarzelle. Es wird auch als p-n-Übergang bezeichnet.

Der photoelektrische Effekt

Fällt nun Licht auf die Solarzelle, werden durch den beschriebenen Effekt Elektronen frei, die sich durch das elektrische Feld im p-n-Übergang bewegen und hierdurch elektrische Spannung generieren. Genau diese Gewinnung elektrischer Spannung wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Konkret werden an der Ober- und der Unterseite der Solarzelle Metallkontakte gesetzt – diese sind gewöhnlich aus Aluminium oder Silber – und miteinander über ein Kabel verbunden. Sie leiten die Elektronen ab und bringen sie über das Kabel zum Fließen – ein elektrischer Stromkreis entsteht.

Photovoltaikanlage im Quartier (Quelle: Solarimo / Pixabay)

Was ist die effizienteste Solarzelle der Welt?

Im Mai 2022 haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme in Freiburg bekanntgegeben, die effizienteste Solarzelle der Welt entwickelt zu haben. Es handelt sich um eine Vierfachsolarzelle mit komplexen Strukturen, die einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent im Labormaßstab erreichte. Entscheidend für den Erfolg war unter anderem eine Antireflexbeschichtung. Je höher der Wirkungsgrad, umso kosteneffizienter ist die Photovoltaik. Unter Normalbedingungen erreichen Photovoltaikzellen Wirkungsgrade von unter 30 Prozent.

Die Schichtstruktur der einzigartigen Solarzelle wurde schon im Jahr 2016 gemeinsam mit der Soitec AG festgelegt. Es handelt sich um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die von Soitec auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) aufgebracht wurde.

Die Solarzellenschichten wurden seitdem im Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen des Fraunhofer ISE mit verbesserten Kontaktschichten und einer 4-lagigen Antireflexionsschicht versehen. Hierdurch sinken Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle, welche in einem breiten Spektralbereich von 300-1780 Nanometern empfindlich ist. Herkömmliche Solarzellen aus Silicium absorbieren das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1200 Nanometern und benötigen damit keine solch breitbandige Entspiegelung.

Quelle: Fraunhofer ISE – Die effizienteste Solarzelle für die Photovoltaik der Welt.

Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern gehören seit jeher zu den effizientesten Solarzellen der Welt. Sie entfalten ihr höchstes Potenzial, wenn das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Bauelemente gebündelt wird. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen“, erklärt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter für Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE. „Mit der Tandem-Photovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen.“

PV-Anlage: Funktion auf Dach, Freifläche, Floating Solar

Eine Photovoltaikanlage ist heute an vielen unterschiedlichen Stellen sinnvoll einsetzbar zur Produktion von Solarstrom. Ganz klassisch wird die Dachfläche von Einfamilienhäusern zur Sonnenstrom-Ernte genutzt. Auch Freiflächen-Solar ist oft zu sehen, wenn man mit dem Auto oder der Bahn durch Deutschland reist.

Relativ neu sind sogenannte „Floating Solar“-Konzepte, bei denen die Vorteile einer Platzierung von Photovoltaik auf dem Wasser genutzt werden. Solche Anlagen werden zunehmend populärer, um den Platzbedarf für Solar an Land zu reduzieren.

Vorteile einer Solaranlage

Die Vorteile von Photovoltaikanlagen sind vielfältig. Als erneuerbare Energieform ist Solarstrom eine unerschöpfliche Energiequelle. Solarmodule zu transportieren und irgendwo als Anlage aufzustellen, stellt kein großes Problem dar. Die Kosten pro kWp sind in den vergangenen Dekaden rasant gesunken. Damit sind Photovoltaikanlagen in jeder Form deutlich attraktiver geworden.

Solar war in Deutschland zunächst aufgrund hoher Kosten nur mit der im Erneuerbare Energien Gesetz festgelegten Einspeisevergütung attraktiv. Diese Einspeisevergütung wurde für jede Kilowattstunde über 20 Jahre garantiert. Das führte zu Mitnahmeeffekten: So manches Dach auf einem Feld wurde letztlich nur für die Ernte von Sonnenstrom gebaut. Lange Jahre war also das Einspeisen von per Solar erzeugtem Strom ins öffentliche Netz das zentrale Ziel.

In den vergangenen Jahren hat sich das drastisch gewandelt: Die Kosten für den Strom vom Dach, also entsprechende PV-Anlagen, sind über die Jahre gesunken. Die Einspeisevergütung ist weniger attraktiv geworden – somit hat es sich durchgesetzt, auf Einfamilienhäusern die Photovoltaikanlagen so auszurichten, das sie den größtmöglichen Eigenverbrauch liefern. Die PV-Anlage rechnet sich in vielen Fällen besonders dann, wenn diese mit einem Heimspeicher kombiniert wird. Ohne Speicher lassen sich in der Regel 30 Prozent des Haushaltsstroms mit der PV-Anlage vom Dach abdecken – kommt ein Energiespeicher dazu, steigt dieser Wert auf bis zu 70 Prozent.

Die Anwendungsvielfalt wird in dieser Dekade weiter zunehmen. Stichworte dafür sind:

  • Agri-PV, also Photovoltaik in Kombination mit landwirtschaftlicher Nutzung
  • Fassaden-PV oder Gebäudeintegrierte PV.
  • Weltraumgestützte Solarenergie
  • Autos oder andere Fahrzeuge, die Solarzellen integriert haben
  • Consumer Electronics wie Kopfhörer, Smartphones, Notebooks oder Tastaturen mit integrierten Zellen

Nachteile von Solaranlagen

Die Sonne liefert zwar irgendwo auf der Welt Energie, aber nirgendwo Tag und Nacht. Daher wird auch von fluktuierender oder intermittierender Energieerzeugung durch Photovoltaikanlagen gesprochen. Daneben ist der Platzbedarf für Photovoltaik im Verhältnis zu einem Kernkraftwerk beispielsweise relativ hoch. Allerdings lässt sich eine entsprechende Anlage dort errichten, wo die Landschaft ohnehin bereits genutzt wurde – beispielsweise auf den Dächern von Einfamilienhäusern, öffentlichen Gebäuden oder gewerblich genutzten Hallen.

Weiterführende Informationen rund um Einspeisevergütung, Wechselrichter und Module

Rund um das Thema Photovoltaik gibt es im deutschsprachigen Web eine Vielzahl sehr guter Informationsquellen. Neben unserem Beitrag über Vorteile und Nachteile der Photovoltaik empfehlen wir folgende Seiten:

(Dieser Beitrag entstand ursprünglich am 22. Juli 2019, wurde seitdem umfassend überarbeitet und erweitert)
SolarSolarmoduleSolarzelle
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