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Technologie
_ Einführung in die Photovoltaik
Solarzellen wandeln Sonnenstrahlung (Licht) direkt in elektrische Energie um – dies ohne Abfall, ohne Lärm und ohne Abgase. Die entsprechende Technik heisst Photovoltaik (PV).
_ Geschichte
Der physikalische Effekt, der der Photovoltaik zugrunde liegt, wurde bereits 1839 vom Physiker Becquerel entdeckt. Bis zur Erfindung des Transistors 1949 schenkte man den beobachteten Effekten keine weitere Beachtung. Erst im Zeitalter der Halbleitertechnik Anfang der 1950er Jahre wurde die Idee von Becquerel wieder aufgegriffen und im Jahre 1954 die erste Solarzelle in den USA aus kristallinem Silizium entwickelt.
Zu Anfang kam die Solarzelle überwiegend zur Energieversorgung von Satelliten zum Einsatz. Erst die Ölkrise 1973 brachte die Endlichkeit fossiler Ressourcen wieder in das Blickfeld der Gesellschaft und führte zu verstärkten Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Photovoltaik. Ziel ist es seither, die noch hohen Kosten, die einer weiten Verbreitung der Technologie entgegenstehen, zu senken.
Photovoltaik gilt heutzutage als wichtiger Bestandteil der zukünftigen weltweiten Energieversorgung mit aktuell jährlichen Marktwachstumsraten von 30 bis 50 Prozent. Die Branche rund um Photovoltaik hat in der Schweiz bereits eine wichtige wirtschaftliche Bedeutung mit mehreren Tausend Arbeitsplätzen und einem Jahresumsatz von rund 2 Milliarden Schweizer Franken.
_ Technik
Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie sie bei der Herstellung von Computerchips verwendet werden. Diese Halbleiter erzeugen unter Licht Elektrizität. Der Strom wird durch metallische Kontakte gesammelt. Der erzeugte Gleichstrom kann mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und so direkt ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist werden. Als Halbleiter wird in den meisten Fällen Silizium verwendet, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdkruste.
_ Zelltypen
Die Entwicklung brachte eine grosse Vielfalt an Solarzellen-Technologien hervor. Sie werden unterschieden nach kristallinen Solarzellen und Dünnschicht-Solarzellen.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschliessend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschliessend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich grosse Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Silizium- oder andere Halbleiterschicht abgeschieden, spricht man von Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade von Dünnschicht-Zellen liegen allerdings noch unter jenen der kristallinen Zellen.
Neben Silizium kommen bei Dünnschichtzellen weitere Materialien zum Einsatz. Dazu gehören Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). Insbesondere CdTe-Zellen haben bereits eine sehr grosse Verbreitung dank tieferer Kosten und obwohl der Wirkungsgrad wesentlich tiefer ist als bei kristallinen Zellen.
Photovoltaik auf Basis von organischen Kunststoffen ist eine weitere Technik, die jedoch noch nicht kommerziell verfügbar ist. Dazu gehören unter anderem die Grätzel-Zellen, bei denen Farbstoffmoleküle zur Lichtsammlung eingesetzt werden.
_ Solarmodule
Um für die Umwandlung geeignete Spannungen zu erzielen, müssen die Solarzellen in Serie geschalten werden. Zuerst im Modul, danach mehrere Module zum String. Diese Solarmodule – auch Solarpanels genannt – werden, geschützt vor Umwelteinflüssen in einer Verpackung aus Glas und Kunststoff, als Bauteile für Solaranlagen eingesetzt.
_ Solaranlagen
Solarstromanlagen werden entweder als Netzverbund-Anlagen mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden, oder sie ersetzen als Insel-Anlagen das öffentliche Stromnetz.
Bei Bauten, die an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind, werden Solarstromanlagen in der Regel im Netzverbund betrieben.
- Es ist nur ein Stromnetz im Gebäude nötig. Es können die normalen Wechselstrom-Geräte eingesetzt werden.
- Überschüsse von Solarstrom können ins Netz eingespeist und dadurch andernorts genutzt werden.
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Der Elektrizitätsversorger muss den Strom abnehmen.
- Die Stromversorgung ist jederzeit sichergestellt.
Die Stromversorgung von netzfernen Objekten wie Berghütten, Ferienhäusern, Notrufsäulen und Parkscheinautomaten erfolgt durch autonome Solarinselanlagen mit Elektrizitätsspeichern (Batterien).
- Kostengünstige Alternative zur Erschliessung abgelegener Verbraucher mit Netzstrom.
- Der Betrieb basiert in der Regel auf Gleichstrom mit Spannung von 12 oder 24 Volt.
- Es müssen meist spezielle Geräte und Leuchten verwendet werden, sofern kein Wechselrichter eingesetzt wird.
_ Quellenangaben und Links zum Thema Photovoltaik
swissolar.ch
de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik
home.solarlog-web.ch