Wolfgang Schröder - Photovoltaik & Batteriespeicher

Da nun oben Elektronenüberschuss und unten Elektronenfehlstellen herrschen, bildet sich zwischen der oberen und unteren Kontaktfläche ein ständig vorhandenes elektrisches Feld, da die Elektronen und Fehlstellen einen natürlichen Ausgleich suchen.

Trifft Licht auf die Solarzelle, schlagen die Lichtteilchen mit ihrer Energie dabei die Elektronen aus ihren Bindungen heraus, die dann als frei bewegliche Teilchen in der Zelle verfügbar sind. Damit werden die Elektronen in das Leitungsband gehoben, wo sie frei verfügbar sind.

Viele dieser freien Ladungsträger (Elektronenlochpaare) verschwinden nach kurzer Zeit durch Rekombination wieder, das heißt die freien Elektronen fallen wieder in die Elektronenlöcher, wenn etwa die Photonenenergie nicht stark genug ist. Einige Ladungsträger driften jedoch zu den feinen Kontakten (Frontkontakten) an der Oberseite der Zelle, das heißt, die Elektronen werden von den Löchern getrennt und driften nach oben, die Löcher hingegen nach unten. Somit entsteht elektrische Spannung, solange weitere Photonen aus dem Lichteinfall ständig freie Ladungsträger erzeugen. Die hierbei messbare elektrische Spannung liegt bei einer Solarzelle bei etwa 0,5 bis 0,7 Volt.

Schaltet man nun einen Verbraucher dazwischen, zum Beispiel eine kleine Lampe, fließen die Elektronen durch den „äußeren Stromkreis“ über diesen Verbraucher zur unteren Kontaktfläche der Zelle und rekombinieren dort mit den zurückgelassenen Löchern. Der weitere Lichteinfall führt zur Aufrechterhaltung des Elektronenkreislaufes und somit zur Erzeugung elektrischer Energie (= Stromfluss).

Da die Spannung (0,5 bis 0,7 Volt) sowie Leistung (4 bis 5 Watt) einer einzelnen Zelle viel zu gering wären, um einen konventionellen Nutzen bei der Stromerzeugung zu ermöglichen, müssen mehrere Zellen miteinander verschaltet werden, damit sich zum einen die Spannung und zum anderen die Leistung erhöht. Ein Aneinanderreihen der Solarzellen bewirkt dabei eine Leistungserhöhung.

Schematischer Modulaufbau

Für den praktischen Einsatz der Solarzellen können die hauchdünnen Zellen natürlich nicht lose gehandhabt werden, da diese nach kürzester Zeit zerbrächen. Überdies müssen die Zellen und deren elektrische Verbindungen sowohl gegen äußere Einflüsse (Witterung, mechanische Belastungen) als auch aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaft (Stromschlag) geschützt werden. Dies geschieht in Form eines Moduls.

Hierzu wird auf einer Glasscheibe zuerst eine hochtransparente Schutzfolie (EVA, Ethylenvinylacetat) ausgelegt. Auf diese Folie werden anschließend die Zellen in einzelnen Reihen nebeneinander angeordnet, mit Leiterbändchen verbunden und an deren Enden miteinander verschaltet. Bei der Modulherstellung wurden früher die Zellen noch einzeln per Hand verlötet. Heute übernehmen Industrieroboter diese Aufgabe in einem vollautomatischen Verfahren.

Die Leiterbändchen werden in der Regel am Modulrand zu einem zentralen Bereich geführt, an dem später die Anschlussdose angebracht wird. Auf die aufgebrachten Zellen kommt eine weitere Lage der transparenten Schutzfolie und danach eine stabilere, in der Regel weiße (in manchen Fällen auch schwarze) Folie (aus Tedlar), die das Modul später rückseitig schützen soll. Dieser Glas-Zellen-Folienverbund wird mittels eines thermischen Verfahrens laminiert, sodass eine relativ feste Modulplatte entsteht.

Es gibt auch Module, bei denen sich auch auf der Rückseite eine Glasscheibe befindet (Glas-Glas-Laminate). Der Vorteil hier: eine höhere Belastungsmöglichkeit.

Schließlich wird an der Rückseite die Modulanschlussdose mit den beiden Anschlussleitungen (Plus / Minus) aufgeklebt und das Modul erhält in der Regel einen Aluminiumrahmen, was ihm abermals höhere Stabilität verleiht.

Ein solches gefertigtes Modul mit beispielsweise 60 Zellen und den Standardabmessungen von etwa 1,68 mal 1,00 Meter hat heutzutage eine Leistung von 320 Watt bis 340 Watt und eine Leerlaufspannung (Spannung, die an einem nicht angeschlossenen Modul ansteht) von etwa 40 Volt. Je nach Format und Zellanzahl können sich abweichende Modulmaße und -leistungen ergeben. Tendenziell geht die Entwicklung hin zu größeren Formaten mit rund 2,00 mal 1,00 Metern und einer Leistung von rund 380 Watt bis 450 Watt.

Die Serienfertigung von Solarmodulen geschieht heute in teilweise oder weitgehend automatisierten Produktionsanlagen, auch mit Hilfe von Robotern.

Die Nennleistung eines Moduls wird dabei mit Toleranzangaben angegeben. Waren früher Toleranzen von bis zu +/- 10 Prozent möglich, werden durch moderne Fertigung sowie Zellvorsortierung heutzutage überwiegend plussortierte Module gefertigt.

Wenn man mit der Sonne als kostenlos zur Verfügung stehendem Energiespender Strom erzeugen kann, läge es zunächst auf der Hand zu vermuten, Solar- oder PV-Anlagen seien in ihrer Umweltbilanz mindestens neutral zu bewerten. Hier müssen allerdings einige Punkte unterschieden werden, denn bekanntlich ist längst nicht alles Gold, was glänzt. Der Betrieb einer Photovoltaikanlage kann ökologisch nicht allein für sich bewertet werden, sondern es bedarf immer der Betrachtung eines Vorher und eines Nachher.

Grundsätzlich ist anerkannt, dass Solarstrom weitaus geringere Umweltschäden verursacht als Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern und der Kernkraft. Somit werden die externen Kosten der Energieerzeugung, wie zum Beispiel Beseitigung von Umweltschäden, erforderliche Rekultivierungsmaßnahmen, Endlager … gesenkt.

Stromkosten nach Erzeugungsart

Noch im Jahr 2011 betrugen die Kosten der Vermeidung von CO 2-Emissionen durch Photovoltaik 320 Euro je Tonne CO 2und lagen damit höher als bei anderen erneuerbaren Energiequellen. Durch die starke Kostensenkung innerhalb der Photovoltaik sind die CO 2-Vermeidungskosten einer Hausdachanlage in Deutschland jedoch auf etwa 17–70 Euro je Tonne CO 2gefallen, womit die Solarstromerzeugung günstiger ist als die Kosten für Klimawandelfolgeschäden, die aktuell auf 80 Euro je Tonne CO 2veranschlagt werden. In sonnenreicheren Gegenden der Welt werden sogar Vorteile von bis zu 380 Euro je Tonne vermiedener CO 2-Emissionen erzielt.

Wie viel CO 2-Emissionen durch Photovoltaik tatsächlich vermieden werden, hängt auch von der Koordination des Erneuerbare-Energien-Gesetzes mit dem EU-Emissionshandel ab; außerdem von der für die Herstellung der Module verwendeten Energieform.

Für die Herstellung von Solarzellen wird, wie wir gelernt haben, Reinstsilizium benötigt. Dessen Herstellung erfolgt unter hohen Temperaturen und entsprechendem Energieaufwand. Die weiteren Produktionsschritte erfolgen wie in der typischen Halbleiterherstellung auf Basis chemischer und energieintensiver Schritte mit anfallenden Nebenstoffen. Für 1 Kilogramm Reinstsilizium entstehen ab der Rohstoffgewinnung bis zu 19 Kilogramm Nebenstoffe. Da Reinstsilizium meist von Zulieferfirmen produziert wird, ist die Auswahl der Lieferfirmen unter Umweltaspekten entscheidend für die Umweltbilanz eines PV-Moduls.