Wolfgang Schröder - Photovoltaik & Batteriespeicher

Die Grafik zeigt das langfristige Mittel. In den einzelnen Jahren kann die Einstrahlung vom Durchschnittswert abweichen. Die Streubreite liegt bei einer langfristigen Betrachtung bei etwa +/- 15 Prozent. In den letzten 20 Jahren gab es hierzu bereits sehr auffällige Jahre. So lag zum Beispiel das Jahr 2004 mit etwa 14 Prozent deutlich über dem Mittelwert. 2013 hingegen waren die Einstrahlungswerte regional sogar bis zu etwa 18 Prozent niedriger. In den letzten Jahren seit 2018 ist das Wetter durch extrem heiße Sommermonate geprägt – mit entsprechend gestiegener solarer Einstrahlung.

Die bisherigen Strahlungsbetrachtungen beziehen sich auf eine ebene Fläche auf dem Boden. Durch eine Direktbestrahlung auf eine geneigte, zur Sonne ausgerichtete Fläche – zum Beispiel einem Dach mit Südneigung – ergeben sich höhere Einstrahlungswerte. Dabei addieren sich neben der direkten und diffusen Bestrahlung noch mögliche reflektierende Strahlungen vom Erdboden. Das Optimum einer starren Dachneigung liegt vom Süden Deutschlands nach Norden hin zwischen 30 ° und 40 °. In Norddeutschland wirken sich wegen des dort „niedrigeren“ Sonnenstandes steilere Dächer günstiger aus als im süddeutschen Raum.

Abweichende Dachneigungen sowie Ausrichtungen verringern auf natürliche Weise die solare Einstrahlung – bisweilen sehr deutlich, was sich prozentual über Grafiken für verschiedene Standorte visualisieren lässt.

Beispiel: Bei einem nach Südwesten geneigten Dach (Azimuth 45 °) und einer Dachneigung von 30 ° ergibt sich eine Einstrahlung von rund 1100 Watt/m 2, welche gegenüber einer idealen Südausrichtung mit 1 150 Watt/m 2um rund 50 Watt/m 2abweicht.

Durch technische Einrichtungen lässt sich die Einstrahlung auf eine bestimmte Fläche sogar noch weiter erhöhen. Bei Freiland-Photovoltaikanlagen gibt es mancherorts sogenannte „Nachführanlagen“. Hier werden die Modulflächen auf Montagesystemen betrieben, die dem Sonnenverlauf automatisch folgen, sowohl vertikal als auch horizontal. Damit erfolgt eine optimale Ausnutzung der täglichen Sonneneinstrahlung über den gesamten Tagesverlauf, deren Einstrahlungswerte gegenüber einer „starren“ Südausrichtung bei bis zu 40 Prozent höher liegen kann.

Die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne setzt sich aus direkter und diffuser Einstrahlung zusammen (Daten für Würzburg von Meteonorm).

Jährliche Sonneneinstrahlung in Deutschland im langfristigen Mittel

Bei Photovoltaikmodulen unterscheidet man im Wesentlichen zwei Herstellungstechniken, und zwar solche mit

1Siliziumscheiben und solche mit einem

2beschichteten Trägermaterial, sogenannte Dünnschichtmodule.

Es gibt weitere Zelltechnologien in der Photovoltaik, die nur selten zur Anwendung kommen. Hierzu gehören Folienlaminate bis hin zu organischen Zelltechnologien zur integrierten Gebäudeanwendung.

Module mit Siliziumscheiben erkennt man an den einzelnen, scheibenförmigen, meist quadratischen Zellen. Dünnschichtmodule bestehen aus einer zumeist homogenen Fläche. Hier werden unterschiedliche Halbleitermaterialien wie amorphes Silizium, Kadmium-Tellurit oder Kupfer-Indium-Selenid auf ein Trägermaterial (zumeist Glasscheibe) in unterschiedlichen Schichten aufgedampft und mit Lasertechnik kontaktiert.

Es gibt auch Kombinationen von Siliziumscheiben und Dünnschichttechniken, die man „bifaciale“ Module nennt. Dabei besteht auch die rückseitige Modulfläche aus einem aktiven Halbleitermaterial. Solche Module eignen sich nur in Situationen, wenn an der Rückseite Licht einfällt, zum Beispiel bei frei aufgestellten Modulen.

Flexible Photovoltaikmatte zur Gebäudeintegration in Membrankonstruktion

In früheren Zeiten sind Dünnschichtmodule gerade bei Großanlagen vermehrt zur Anwendung gekommen. Auf dem Markt durchgesetzt hat sich mittlerweile die Zelltechnologie aus Siliziumscheiben, der frühere Preisvorteil von Dünnschichttechniken ging weitgehend verloren. Zudem hat sich der Zellwirkungsgrad kristalliner Module deutlicher weiterentwickelt als bei der Dünnschichttechnik.

In der Natur ist Silizium das zweithäufigste Element überhaupt, allerdings kommt es nicht elementar rein vor, sondern in natürlichen Verbindungen, zum Beispiel als Silikat in Form von Sand oder Quarz.

Diese natürlich vorkommenden Stoffe sind für die Photovoltaik aber so nicht verwendbar. Sie müssen in aufwendigen Prozessen gereinigt werden, bis man schließlich reinstes Silizium zur Weiterverarbeitung erhält. Dieses Reinstsilizium ist deshalb erforderlich, um den später im Inneren der Modulzelle stattfindenden Stromfluss nicht durch Fremdstoffe zu behindern oder sogar unmöglich zu machen, wie wir bei der späteren Beschreibung des Zellaufbaus noch sehen werden (siehe Seite 16).

Im ersten Schritt wird beim Reinigungsprozess durch die Reduktion von Sauerstoff Rohsilizium hergestellt, da der Sauerstoff sich später bei der Zellfunktion störend auswirken würde. Ausgangsmaterialien sind dabei faustgroße Quarzkiesel oder -bruchstücke, die mit Kohlenstoff gemischt werden. Bei 2 000 °C wird dieses Gemisch elektrothermisch erhitzt, wobei der Sauerstoff entweicht. Das entstandene Rohsilizium, ein graues Pulver, hat einen Reinheitsgrad von 98 bis 99 Prozent, enthält jedoch weiterhin Fremdbestandteile wie Eisen, Aluminium, Kalzium, Titan und Kohlenstoff. Um Reinstsilizium von 99,9-prozentiger Reinheit zu gewinnen, müssen verschiedene weitere Reinigungsprozesse folgen. Dabei wird das Rohsilizium zunächst verflüssigt und später durch Erhitzen wieder in eine feste Konsistenz gebracht.

Das gewonnene Reinstsilizium wird nun – so verwunderlich das klingt – wieder verunreinigt, und zwar mit dem Element Bor. Das hat folgenden Grund: Silizium hat in seinem Atomaufbau neben seinem Atomkern vierzehn Elektronen in drei definierten Energiezuständen („Schalen“ um den Atomkern). Die Atome gehen über die 4 „äußeren“ Elektronen chemische Verbindungen mit anderen Siliziumatomen oder anderen chemischen Elementen ein.

Bor hat fünf Elektronen, von denen nur die drei Elektronen der äußeren „Schale“ für die Ausbildung von chemischen Bindungen zur Verfügung stehen. Wenn man sich nun vorstellt, wie sich Silizium- und Boratome in einem atomaren Gitter miteinander verbinden, dann verbleiben im Verbund „Elektronenlücken“, weil die Anzahl der reaktiven Elektronen zum Verbinden (Silizium 4 – Bor 3) ja nicht aufgeht. Dementsprechend wird das Silizium damit automatisch „positiv dotiert“ (p-Schicht). Es gibt im Silizium-Bor-Kristallgitter zu wenige Elektronen, also viele Fehlstellen. Die Fehlstellen werden auch „Löcher“ oder „Elektronenlöcher“ genannt.

Elektronenlücken an den Boratomen

Systemprozess für polykristalline Zellen