Damit das photovoltaische Prinzip funktioniert, braucht es einen festen Verbundstoff – bei einer PV-Anlage sind das die Halbleiterschichten aus Silizium – und eine Photonenquelle, also Sonnenlicht. Trifft das Sonnenlicht auf den Festkörper, geben die Photonen ihre Energie an ihn ab. Das bringt die Elektronen im Festkörper in Bewegung, sodass elektrische Spannung entsteht.
Für PV-Module gibt es im Wesentlichen zwei Herstellungstechniken:
Module aus vielen siliziumbasierten scheibenförmigen, meist quadratischen Solarzellen. Sie sind zwischen zwei Glasplatten oder einer Glasplatte und einer Rückseitenfolie mittels Einbettungsmaterial verkapselt. Dieser Glas-Zellen-Folienverbund wird in einem thermischen Verfahren laminiert und mit einem Aluminiumrahmen umgeben. Die Solarzellen werden durch diesen Aufbau vor Umwelteinflüssen geschützt (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Solarmodul; Quelle: Aroundhome/Janina Collet
- Dünnschichtmodule aus einem beschichteten Trägermaterial (meist Glas, seltener Folie), das mit einer dünnen Schicht bedampft oder besprüht wird. Dünnschicht-Solarzellen sind flexibel und etwa 100-mal dünner als kristalline Solarzellen aus Siliziumwafern. Als Halbleiter werden amorphes Silizium (a-Si), Cadmium-Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) verwendet.
Nachdem anfänglich vor allem in Großanlagen Dünnschichtmodule verwendet wurden, haben sich mittlerweile beim festen Einbau auf dem Hausdach oder bei der fest montierten PV-Anlage auf dem freien Feld die Siliziumscheiben auf dem Markt durchgesetzt. Im mobilen Bereich (zum Beispiel auf Fahrzeugen und Wohnmobilen) und an Hausfassaden kommen verstärkt Dünnschichtmodule zum Einsatz.
Silizium
Silizium kommt in der Natur nicht elementar, sondern in natürlichen Verbindungen vor. Um es für die Photovoltaik verwenden zu können, muss es in einem aufwendigen Verfahren gereinigt werden. Das gereinigte Silizium wird dann in Kombination mit anderen chemischen Elementen in Solarzellen schichtweise aufeinander gepackt.
Silizium ist ein Halbleiter. Er wird erst leitfähig, wenn Wärme oder Licht auf ihn trifft. Die zugeführte Energie (Licht) erzeugt in den Halbleitern freie Ladungsträger (Elektronen). Damit aber Strom fließt, muss es eine positive und eine negative Seite geben. Dazu wird die oberste Siliziumschicht mit Phosphor angereichert, das mehr reaktive Elektronen enthält als die elektronenarme Siliziumzelle. Während es nun auf der einen Seite einen Überfluss von Elektronen gibt, weist die andere Seite einen Mangel auf. Trifft jetzt Licht auf die Zelle, entsteht eine Spannung wie in einer Batterie: Die Elektronen wandern, um die Unterschiede auszugleichen – es fließt Strom.
Je nach Anordnung der Siliziumkristalle spricht man von monokristallinen oder polykristallinen Solarzellen.
- Bei polykristallinen Solarmodulen wird Silizium geschmolzen und in quadratische Blöcke (Ingots) gegossen. Daraus werden zuerst quadratische Zylinder und aus diesen hauchdünne Scheiben (Wafer) mit einer Stärke von weniger als 0,2 mm hergestellt.
- Bei monokristallinen PV-Modulen wird das Silizium ein zweites Mal geschmolzen und unter Drehung in Form von Stäben aus der Schmelze gezogen. Diese Stäbe bilden die Ingots für das Schneiden der Wafer. Monokristalline Solarzellen sind rund, werden aber zum Verbauen in Quadrate mit abgerundeten Ecken geschnitten.
PV-Module
Da Spannung und Leistung einer einzelnen Solarzelle viel zu gering wäre, um den erzeugten Strom wirtschaftlich nutzen zu können, werden die Zellen zu PV-Modulen zusammengefügt. Um eine hohe Effizienz zu erhalten, ist es außerdem wichtig, dass die verschalteten Solarzellen möglichst gleichartig sind. Dazu werden Solarzellen beim Hersteller entsprechend ihrer elektrischen Kennwerte sortiert.
Kennwerte
In der Regel besteht ein Modul aus 60 Zellen und hat die Abmessungen 1,68 x 1,00 Meter. Damit kann eine Leistung von 320 bis 340 Watt erzeugt werden. Aktuell werden vermehrt größere Module mit einer Nennleistung von 380 bis 450 Watt und einem Format von 2,00 x 1,00 Meter eingesetzt.
Die Solarzellen produzieren ausschließlich Gleichstrom. Im Haushalt wird hingegen Wechselstrom genutzt. Darum muss der Strom zunächst umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter.[1]
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