Photovoltaik

Photovoltaik ist die Umwandlung von eingestrahlter Sonnenleistung in elektrische Energie. Kernbestandteil dieses Prozess ist die Solarzelle, die aus Halbleiterschichten aufgebaut ist.

 

Photovoltaik wird im Hausbetrieb in der Regel zur Deckung des Hauststroms eingesetzt, kann aber in Kombination mit Wärmepumpe auch zur Heizungsunterstützung verwendet werden.

 

 

Aufbau und Bauarten

 

Eine Solarzelle ist im Prinzip eine Halbleiterdiode. Also ein zweischichtiges Element aus einem positiv und einem negativ dotierten Halbleiter. Diese Dotierungen entstehen durch Verunreinigungen im Halbleitermaterial. Das mit Abstand am häufigsten eingesetzte Halbleitermaterial ist Silizium. Durch die Verunreinigungen haben die Materialschichten entweder die Neigung, einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen oder einen Mangel von eben diesen aufzuweisen.

Trifft Sonnenstrahlung, also elektromagnetische Wellen, auf eine solche Diode, werden Elektronen zufällig aus dem Silizium "gelöst", da die Photonen des Lichtes einzelne Elektronen beim Aufprall auf höhere Energienivaus heben, also mobiler werden. Sie haben die Tendenz, sich in Richtung der negativ dotierten Schicht zu bewegen, solange bis die Plätze belegt sind.

Wird dann ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt der Elektornenüberschuss der negativ dotierten Schicht zur positiv dotierten Schicht.

 

/// Bild: Solardiode - Prinzip ///

 

Nach derzeitigem Stand der Technik (2016) gibt es drei übliche Bauweisen von Solarzellen.

 

1. Polykristalline Zellen

Als Halbleitermaterial wird Silizium eingeschmolzen, verunreinigt also dotiert und dann in einer Form durch einen Abkühlungsprozess zum Erstarren gebracht. Das Silizium kristallisiert so in einem zufälligen Prozess und es bilden sich mehrere Kristalle in der Schmelze gleichzeitig.

Nach dem Erstarren wird der sogenannte "Ingot" zu Wavern, 250...350 µm dünnen Scheiben, gesägt.

 

/// Bild: Ingot - Waver ///

 

Das Herstellungsverfahren ist vergleichsweise einfach, die erreichbaren Wirkungsgrad geringer als die monokristalliner Zellen.

 

2. Monokristalline Zellen

Das Herstellungsverfahren ist bis zum Schmelzen des Halbleitermaterials identisch mit dem Polykristalliner Waver. Zu Beginn des Erstarrungsprozess wird allerdings ein monokristalliner Siliziumstab in die Schmelze eingebracht, ein sogenannter Impfkristall. An der Grenzfläche dieses Kristalls bilden sich gleich ausgerichtete Kristallstrukturen aus. Man kann sagen, dass der Monokristall in die Schmelze hineinwächst. Die Kristallisation muss in der gesamten Schmelze abgeschlossen sein, bevor sich durch die Abkühlung weitere Kristallen entstehen. Dazu muss eine Temperaturregelung stattfinden.

 

Im Vergleich zu polykristallinen Zellen ist dieser Bautyp teurer und weist höhere Wirkungsgrade auf.

 

/// Bild: Vergleich Polykristallin - Monokristallin - Dünnschichtmodul ///

 

3. Amorphe Schichten - Dünnschichtzellen

 

Bei dieser Bauart werden sehr dünne Schichten von unterschidlich dotierten Halbleitern nacheinander auf ein Trägermaterial aufgedampft. Der Erstarrungsprozess findet dabei völlig zufällig statt und es bilden sich überhaupt keine größeren, gleich ausgerichteten Kristallstrukturen aus.

Durch die sehr dünnen Schichten im Nanometerbereich (bis maximal weniger Mikrometer Dicke) ist der Materialeinsatz sehr gering, das Herstellungsverfahren zudem sehr günstig. Nachteilig ist der geringere Wirkungsgrad bei direkter Sonneneinstrahlung, vorteilhaft die gute Bilanz bei diffuser Sonnenstrahlung sowie der geringe Preis und Materialaufwand.

 

In der folgenden Tabelle sind die Bautypen der Solarzellen zusammengefasst. Bei den Angabe handelt es sich um gängige Anhaltswerte, die in jedem Fall von einem Fachplaner entsprechend der baulichen Situation untersucht werden müssen. Zu beachten ist hierbei, dass sich der Flächenbedarf auf Anlagenwirkungsgrad bezieht, nicht auf den (höheren) Wirkungsgrad der Solarzellen.

Bautyp Effizienz Preis

Monokristalline

Zellen

- Guter Wirkungsgrad 14...22 %

- Geringer Flächenbedarf 7,5...10 m²/kWp

- Hoher Preis
Polykristalline Zellen

- Etwas geringerer Wirkungsgrad 12...20 %

- Leicht erhöhter Flächenbedarf 8...11 m²/kWp

- Mittlerer Preis
Amorphe Zellen

- Geringer Wirkungsgrad von 7...11 %

- Erhöhter Flächenbedarf 12...16 m²/kWp

- Geringer Preis

- Relativ gute Ausbeute bei diffuser Strahlung

Tandemmodule

Zur Zeit Gegenstand der Ingenieursentwicklung sind sogenannte Tandemzellen. Die Wirkungsgrade einer einzelnen Zelle sind grundsätzlich mit Werten zwischen 5 und 25% recht schlecht und die Ausbeute des Sonnenlichtes nicht besonders hoch. Das liegt wesentlich daran, dass nur ein Teil des Frequenzspektrums des Sonnenlichtes ausgenutzt wird. Je nach Material variiert zwar das Frequenzband, aber es bleibt begrenzt. Der größte Teil bleibt aufgrund der Materialeigenschaften des Halbleitermaterials und der Dotierung ungenutzt.

Um dem zu begegnen, gibt es einen vielversprechenden Ansatz. Materialkombinationen, die eher den kurzwelligen also hochenergetischen Teil des Sonnenlichtes nutzen, lassen den langwelligen Anteil hindurch, da dessen Energieniveau nicht ausreicht, um eine Wechselwirkung zu erreichen. Das durchgelassene Licht kann dann durch eine dahinter liegende Solarzelle genutzt werden.

Nach diesem Prinzip lassen sich heute (Stand 2016) Wirkungsgrade von 30...40% realisieren. Allerdings sind Herstellungsverfahren und dementsprechend der Preis noch nicht konkurrenzfähig. Daher wird im folgenden nur von einlagigen Solarzellen ausgegangen.

 

Elektrische Leistungsabgabe

Die Nennleistung einer Solarzelle wird in kWp angegeben. Also Peak - Leistung. Das leigt daran, dass die erreichbare elektrische Leistung einer Solarzelle von den Außenbedingungen abhängt. Um die Module vergleichbar zu machen, sind dafür Standard Testbedingungen definiertworden, unter diesen Bedingungen erbrachte Leistung wird mit kWp bezeichnet. Obwohl bei entsprechenenden Bedingungen auch durchaus höhere Werte erreicht werden können.

Und auch durch die Verbraucherseite wird die Leistungsabgabe eines Solarmoduls beeinflusst. Dafür wird eine Kennlinie angegeben, die einen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung angibt. Die Leistungsabgabe ist dabei im Knickbereich maximal, so dass zwischen Verbrauchernetz und Solarmodulen eine elektrische Spannungstransformation und eine Umrichtung auf Wechselstrom stattfinden muss. Dafür wird ein Wechselrichter eingesetzt.

 

Anlagenaufbau

 

Die Module sind dann aus den folgenden Elementen aufgebaut:

- Tragschicht

- Zellenschicht

- Schutzschicht aus hochdurchlässigem Glas

- Elektrische Anschlüsse

 

/// Bild Aufbau Solarmodul ///

 

Die Gesamtanlage ist folendermaßen aufgebaut

- Solarmodule

- Elektrische Leitung

- Wechselrichter

 

/// Bild: Schaltplan Insellösung + Großanlage ///

 

Integration

Solarmodule können auf entsprechenden Flächen außen montiert, frei stehen oder intergriert werden, wobei die Integration momentan (Stand 2016) nicht allgemein anerkannte Regel der Technik ist, da der Wärmeschutz von Außenbauteilen der Gebäudehülle dadurch beeinflusst wird.

Bei frei stehenden Modulen kann die Lichtausbeute durch bewegliche Konstruktionen erhöht werden.

 

/// Bild Integration ///

 

 

Effizienz

 

/// Bild: Kennlinie Solarzelle ///

 

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaik Anlage sollte sich auf die gesamte Anlage bis zum Verbraucher beziehen, um einen Zusammenhang zwischen Kosten und Nutzenergie herstellen zu können. Dafür muss der Fachplaner die Verluste von Solarmodul, Leitungen und Wechselrichtern, sowie den Alterungsprozess der Solarzellen berücksichtigen.

In der folgenden Tabelle sind Anhaltswerte für die Wirkungsgradkette gegeben, wenn eine neue Anlage unter Standrad - Bedingungen betrieben wird:

  Polykristallin Monokristallin Amorph
  [%]
Solarzelle 14...22 12...20 7...11
Wechselrichter 90...97%
Leitungsverluste 1-2 %
Gesamtanlage 12,5...21 10,5...19 6,2...10,5

Einflüsse auf den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von der Umgebungstemperatur ab. Dabei sinkt der Wirkungsgrad mit zunehmender Temperatur. Als grobe Richtwerte gelten:

 

- poly- und monokristalline Zellen: -0,45 %/°C

- amorphe Zellen: -0,2%/°C

 

Darüber hinaus gibt es Alterungsprozesse, die einerseits während der anfänglichen Sonnenstunden auftreten (Lichtinduzierte Alterung) und weiterhin deutlich langsamer auf unterschiedliche Art (potentialinduzierte Alterun und alterbedingter Verschleiß). Dabei gilt ungefähr:

 

- poly- und monokristalline Zellen: 2% Leistungsabfall in den ersten 50 Stunden, danach nur noch 0,5% pro Jahr

- amorphe Zellen: ca. 10% Leistungsabfall in den ersten 1000 Sonnenstunden, danach annähernd konstant

 

Jahresnutzleistung bzw. Ertrag

Wieviel Leistung über das Jahr gesehen als Nutzenergie bereit stellen kann, hängt von der eingestrahlten Sonnenenergie und der Ausrichtung der Module ab. Zur Ermittlung muss eine Berechnung anhand durchschnittlicher Wetterdaten nach Standort und Ausrichtung durchgeführt werden. Ein Besipiel:

 

- 10 m² Solaranlage in Münster, Westfalen

- Ausrichtung SO, Dachneigung 30°

- Einstrahlleistung auf Anlagenfläche: ca. 10500 kWh/a

- Anlagenwirkungsgrad: 13 %

- Ertrag: 1365 kWh/a

 

 

Wirtschaftliche Bilanz

 

Die überschüssige Leistung von Photovoltaikanlagen kann in das öffentliche Netz eingespeist werden, jedoch ist die Höhe der Vergütung konstant abnehmend, wie Sie beispielsweise hier nachlesen können.

Grundsätzlich sollte ein Planer bestrebt sein, einen hohen Anteil der Leistung für eigene Nutzung anzusetzen. Denn momentan (Stand 2016) gilt, dass einem Strompreis zwischen 22 und 30 ct/kWh eine Einspeisevergütung von etwas über 12 ct / kWh gegenübersteht. Für das obiges Beispiel wäre ein für ein Gebäude, dass einen überwiegenden Teil (70 %) der Solarenergie selbst nutzt, folgende Amortisationsdauer notwendig:

 

- jährliche Stromersparnis: 0,7 * 1365 kWh * 27 ct / kWh = 260 €

- jährliche Einspeisevergütung: 0,3 * 1365 kWh * 12 ct / kWh = 49 €

- Investitionskosten: ca. 3000€

- Amortisationszeit bei 1-2% Zinsen: 10...11 Jahre

 

 

Ökologische Bilanz

 

Es wird oft argumentiert, dass Solarzellen bei der Herstellung viel Energie benötigen und die Entsorgung in der ökologischen Bilanz nicht berücksichtigt wird. Man spricht dabei von grauer Energie. Eigentlich ist das Argument valide und völlig richtig. Allerdings gilt das für sämtliche Teile eines Gebäudes, Fahrzeugs etc. und ist im Hausbau aufgrund des Aufwandes nicht praktikabel. Für eine globale Betrachtung für interessierte Leser sei hier auf die folgende Studien verwiesen [1] ,[2], [3].

 

Hinsichtlich des Betriebes gilt folgendes Einsparpotential für obiges Beispiel:

 

- jährliche Einsparung beim Stromvebrauch: 0,7 * 1365 KWh = 955,5 kWh

- Primärenergiefaktor für Strom: fp = 1,8

- jährliche Einsparung von Primärenergie: 1719,9 kWh

- jährliche Einsparung nach Primärenergieträger (Strom - Mix des Jahres 2016):

Braunkohle: 187 kg

Steinkohle: 41 kg

Erdgas: 16 m³

Natururan: 5,4 g

Erneuerbare Energie: 499 kWh

Sonstige: 86 kWh

- jährliche CO2 Vermeidung (Strom - Mix des Jahres 2015): 955,5 kWh * 535 g/kWh = 511 kg CO2

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© Christoph Mevenkamp