Wie funktioniert Photovoltaik? Solarzellen einfach erklärt!
Photovoltaik stellt eine der umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Energiequellen dar, die uns auf der Welt zur Verfügung stehen. Mit Hilfe von Sonnenenergie wird bereits ein großer Teil des Energiebedarfs in Deutschland gedeckt, und dieser Anteil wächst weiter.
Aber wie funktioniert Photovoltaik, und was ist das Grundprinzip einer Solarzelle? Das erfährst du hier!
Inhaltsverzeichnis
Die Struktur einer Solarzelle
Das grundlegende Prinzip der Photovoltaik besteht darin, elektrischen Strom aus Sonnenenergie zu erzeugen. Dies geschieht in Solarzellen, die aus zwei Schichten Silizium bestehen. Diese Schichten wurden gezielt mit verschiedenen Elementen dotiert, was dazu führt, dass in einer Schicht überschüssige Elektronen vorhanden sind und in der anderen Schicht ein Mangel an Elektronen besteht.
Dies erzeugt einen elektrischen Dipol mit einer positiven und einer negativen Schicht. Die beiden Schichten aus Silizium sind durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden, und mehrere solcher Zellen bilden ein Solarmodul.
Solarzellen können auf verschiedene Weisen hergestellt werden und unterscheiden sich hauptsächlich in Bezug auf ihre Energieausbeute.
Monokristalline Solarzellen erzielen die höchste Effizienz, sind jedoch auch etwas kostenintensiver. Sie sind besonders sinnvoll, wenn nur begrenzter Platz vorhanden ist, wie beispielsweise auf Hausdächern.
Polykristalline Solarzellen sind kostengünstiger, weisen jedoch eine geringere Effizienz auf. Die dritte Variante sind Dünnschicht-Solarzellen, die zwar die niedrigsten Wirkungsgrade erzielen, aber sehr flexibel sind und beispielsweise in flexiblen Camping-Solarmodulen Verwendung finden.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom
Wenn ein Sonnenstrahl auf das Silizium in einer Solarzelle trifft, kann seine Energie ein Elektron aus der Atomumlaufbahn entfernen. Aufgrund des elektrischen Dipols bewegt sich das freigesetzte Elektron in Richtung der positiven Schicht, während das entstandene "Loch" in Richtung der negativen Schicht wandert.
Das Elektron wird über den elektrischen Leiter zur negativen Schicht geleitet, wo es den Elektronenmangel ausgleicht. Auf dem Weg von einer Schicht zur anderen kann die Energie des bewegten Elektrons für verschiedene Zwecke genutzt werden, beispielsweise um eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen.
Da eine einzelne Solarzelle nur eine geringe Spannung erzeugt, werden viele Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls in Serie geschaltet, um die Spannung zu erhöhen. Der Gleichstrom, der von den Solarzellen erzeugt wird, kann direkt in einem Batteriespeicher gespeichert werden.
Um ihn für den Haushaltsgebrauch nutzbar zu machen, muss er jedoch zuerst in Wechselstrom umgewandelt werden, wofür der Wechselrichter verantwortlich ist, der oft das Herzstück einer Photovoltaik-Anlage bildet.
Wo kann Photovoltaik eingesetzt werden?
Photovoltaik kann überall dort genutzt werden, wo die Sonne ungehindert scheinen kann, ohne von Gebäuden oder anderen Hindernissen verdeckt zu werden. Je näher du dich am Äquator befindest, desto mehr Energie kannst du mit Photovoltaik erzeugen. Aber auch in den gemäßigten Breiten gibt es ein riesiges Energiepotenzial.
Photovoltaikanlagen können entweder mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sein oder als autarke Anlagen fungieren, die fernab des Stromnetzes beispielsweise bei Campingausflügen oder in abgelegenen Ferienhäusern Energie bereitstellen.
Einzelne Geräte können ebenfalls mithilfe von Solarzellen betrieben werden. Zum Beispiel gibt es Gartenlampen, die tagsüber mithilfe von Solarenergie einen Akku aufladen und diese Energie dann nachts für die Beleuchtung verwenden. Es gibt also nahezu unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten!
Hier findest du in unserem Shop weitere Informationen zu den verschiedenen Arten von Photovoltaikanlagen:
Photovoltaik ist die Energiequelle der Zukunft
Wusstest du, dass die Sonne in Deutschland durchschnittlich etwa 1000 kWh pro Quadratmeter Energie pro Jahr liefert? In der Sahara beträgt dieser Wert sogar etwa 2500 kWh pro Quadratmeter. Insgesamt ist die verfügbare Sonnenenergie auf der Erde riesig und praktisch unerschöpflich.
Bei der Umwandlung in Solarzellen wird nichts verbraucht, da es sich um ein geschlossenes System handelt. Silizium, das Hauptmaterial von Solarzellen, ist das zweithäufigste Element auf der Erde.
Die "Energy Payback Time", die Zeit, die eine Solaranlage benötigt, um die Energie zu erzeugen, die für ihre Herstellung aufgewendet wurde, beträgt in den meisten Fällen nur wenige Jahre. Bei einer Lebensdauer von oft mehr als 20 Jahren erzeugt eine Solaranlage daher weit mehr Energie, als für ihre Herstellung aufgewendet wurde.
Deshalb ist Photovoltaik eine wichtige Energiequelle der Zukunft und ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Du kannst bereits heute einen Beitrag dazu leisten, indem du deine eigene Photovoltaikanlage installierst, was sich auch finanziell lohnen kann.
Hast du kein eigenes Haus oder keinen Zugang zu einem Dach? Kein Problem: Schon mit einem Balkonkraftwerk kannst du von grüner Energie profitieren und sie ganz einfach selbst erzeugen.
Machst du dir Sorgen wegen der Kosten einer Solaranlage? Dann haben wir gute Neuigkeiten: In den meisten Fällen stehen dir verschiedene Fördermöglichkeiten für Photovoltaik zur Verfügung, um deine Investition zu unterstützen.