Photovoltaik (PV) ist die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Der Begriff setzt sich aus dem griechischen Wort phos (Licht, Genitiv: photos) und der Bezeichnung Volt (Einheit für elektrische Spannung) zusammen. Das Verfahren nutzt die Sonnenenergie zur Stromerzeugung, beispielsweise mittels PV-Anlagen auf Dächern, Balkon-Solaranlagen oder Freiflächenanlagen.
Funktionsweise und technisches Verfahren basieren auf dem photoelektrischen Effekt, den der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel bereits im Jahr 1839 entdeckte. In den folgenden Jahrzehnten wurde der Effekt weiter erforscht, 1905 erklärte und bewies der spätere Nobelpreisträger Albert Einstein den Photoeffekt in seiner Arbeit zur Lichtquantentheorie.
Ein entscheidender Meilenstein war die Entwicklung der ersten Siliziumsolarzellen im Jahr 1954, die Wirkungsgrade von bis zu 6 Prozent aufwiesen. Ab 1958 kam das Verfahren im Bereich der Raumfahrt zum Einsatz, die Anwendung auf der Erde rückte jedoch erst im Zuge der Ölkrise (1973/1974) und verstärkt nach Nuklearunfällen (1979: Harrisburg und 1986: Tschernobyl) in den Fokus der Öffentlichkeit. Ab Ende der 1980er stieg das Forschungsinteresse stark an und inzwischen sind Photovoltaikanlagen in vielen Ländern der Welt als zukunftssichere Art der Stromerzeugung fest etabliert.
Was ist Photovoltaik und wie funktioniert das Prinzip? Solarmodule bestehen aus mehreren Solarzellen, die miteinander verbunden sind. Wie aus Sonnenlicht elektrische Energie entsteht, zeigt das Prinzip der Photovoltaik. Funktionsweise der Solarzellen und Aufbau zeigt folgende Grafik:
Infografik: In Anlehnung an EnBW
Von zentraler Bedeutung sind bei der Solarzelle Funktion und dreischichtiger Aufbau:
- n-dotierte Silizium-Schicht mit freien Elektronen: Beimischung von Phosphor = Schicht ist negativ
- p-dotierte Silizium-Schicht ohne Elektronen: Beimischung von Bor = Schicht ist positiv
- p-n-Übergang: elektrisches Feld zwischen den Siliziumschichten (fungiert als trennende Grenzschicht)
Trifft das Sonnenlicht auf die Solarzellen, werden die Elektronen aktiviert und die freigesetzten Ladungen können die Trennschicht passieren. Es fließt Strom, der über die seitlichen Metallschichten der Zellen abgeführt wird.
Infografik: In Anlehnung an Aroundhome
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die für den reibungslosen Ablauf der Stromgewinnung aus Sonnenlicht unverzichtbar sind:
Wird der tagsüber produzierte Strom nicht unmittelbar benötigt, ist optional der zusätzliche Einsatz eines Batteriespeichers sinnvoll, der den tagsüber produzierten Solarstrom für später speichert. Mit dieser Speichermöglichkeit lässt sich der Eigenverbrauch von Solarstrom auf bis zu 80 Prozent steigern.
Das Kürzel kWp steht für Kilowatt Peak und ist im Bereich der Photovoltaik ein gängiges Leistungsmaß für die Spitzenleistung, die PV-Module unter genormten Bedingungen leisten können. Dieser Wert gibt somit an, welche Höchstleistung Solarmodule in Kilowatt (kW) erbringen können. Als Kennwert dient diese theoretisch mögliche Spitzenleistung als wichtiger Faktor für den Vergleich unterschiedlicher Solarzellenarten und kann die optimale Auslegung Ihrer Photovoltaikanlage erleichtern.
Photovoltaik dient dazu, Solarenergie in elektrische Energie umzuwandeln und leistet einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. In erster Linie sind folgende Anwendungsgebiete relevant:
Von der ersten ernsthaften Anwendung in der Raumfahrt über die unkomplizierte Energieversorgung einzelner Geräte wie Taschenrechner & Co. bis zur PV-Anlage auf dem Hausdach - auf dem Gebiet der Photovoltaik gab es in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten erstaunliche Entwicklungen. Es bleibt weiterhin spannend, zukünftige Entwicklungen versprechen möglicherweise höhere Wirkungsgrade, die Nutzung bisher ungenutzter Flächen (Landwirtschaft, Autobahn etc.) und vieles mehr. Das Sonnenlicht ist ohne Zweifel einer der wesentlichen Energieträger der Zukunft.
