Photovoltaik und Module

Geschichte der Photovoltaik

Der photovoltaische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt und im Jahre 1905 von keinem geringeren als Albert Einstein wissenschaftlich nachgewiesen und erklärt. Für diese Theorie, welche unter anderem das Wirkungsprinzip der Photovoltaik erklärt, erhielt er 1921 den Physik-Nobelpreis. Erst im Jahre 1954 gelingt es den amerikanischen Wissenschaftlern Fuller, Pearson und Chapin die erste Silizium-Solarzelle mit 5% Wirkungsgrad zu entwickeln. Weitere vier Jahre später wurde der erste US-Satellit „Vanguard I“ mit einer photovoltaischen Stromversorgung ausgerüstet und der langsame, aber sichere Aufstieg der Photovoltaik begann. Auf diesen grundlegenden Erkenntnissen beruhen auch noch heutige Photovoltaik-Module. Diese sind mit photoaktiven Halbleitern ausgestattet, welche bei Sonneneinstrahlung eine Elektronenbewegung und somit elektrische Spannung entstehen lassen. Ein dabei entstehendes Spannungsgefälle kann zur Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. Dieser Vorgang erzeugt Gleichspannung, welche mittels eines Wechselrichters in netzkonforme Wechselspannung umgewandelt wird.

Inselanlagen

Eine grundlegende Unterscheidung von Photovoltaik-Anlagen besteht in der Unterscheidung zwischen on-grid oder off-grid Systemen. Erstere Methode speist die gewonnene Energie in das öffentliche Stromnetz. Die zweite Variante, auch als Inselanlage bekannt, verbraucht die Energie selbstständig für den eigenen Betrieb. Besagte Inselanlagen werden hauptsächlich in Gebieten eingesetzt, in denen keine oder eine nur sehr kostenaufwendige Versorgung an das öffentliche Netz möglich ist. Da die Gesamtkosten der PV-Module immer weiter sinken, ist es oftmals ökonomisch wie auch ökologisch sinnvoller, technische Geräte mit geringem Stromverbrauch nicht mit langen Stromleitungen zu versorgen, sondern einfach eine eigene Energiequelle zu benutzen. Heutzutage ist die eigenständige Stromversorgung von Notrufsäulen an Autobahnen oder bei innerstädtischen Parkscheinautomaten selbstverständlich. Denn gerade in abgelegenen Regionen abseits des öffentlichen Stromnetzes oder in dicht besiedelten und damit häufig bodenversiegelten Gegenden können off-grid Systeme sehr effizient und umweltfreundlich angewendet werden. Aber auch abgelegene Berghütten, Teichanlagen, Boote, Wohnmobile und vieles mehr können mit Hilfe von Inselanlagen mit elektrischem Strom versorgt werden. In Schwellen- und Entwicklungsländern werden teilweise sogar ganze Dörfer mit dieser Technologie ausgestattet, da das Verlegen von Stromkabeln teurer ist als die Erzeugung eigener Energie aus PV. Experten/-innen prognostizieren für Entwicklungsländer zukünftig eine kräftige Zunahme an netzunabhängigen PV-Inselanlagen.

Netzgekoppelte on-grid Anlagen

Netzgekoppelte on-grid Anlagen speisen, wie schon oben kurz erwähnt, die gewonnene Energie in das öffentliche Stromnetz. Dabei wird versucht mit sogenannten Feed-in Tarifen (Einspeisetarifen) oder anderweitigen Förderprogrammen (Investitionsförderungen, etc.) der jeweiligen Staaten eine nachhaltige Entwicklung der Photovoltaik zu garantieren. Das bisher sicherlich erfolgreichste Modell stellt die Einspeisevergütung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) aus Deutschland (erstmals in Kraft getreten August 2004) dar, welches nicht nur Deutschland selbst zu dem weltweit größten Abnehmer von PV-Modulen gemacht hat, sondern auch von 47 weiteren Staaten sinngemäß übernommen wurde. Ziel dieser staatlichen Unterstützungen sind neben der Verringerung der Abhängigkeit fossiler Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Kohle und Kernkraft, das Erreichen der Netzparität (Grid Parity). Grid Parity bedeutet grundsätzlich, dass die elektrische Energie aus einer PV-Anlage letztendlich zum gleichen Preis bezogen werden kann, wie der Endverbraucher ihn für Strom aus fossilen oder atomaren Brennstoffen zahlt. Es gibt jedoch unterschiedliche Definitionen zu diesem Begriff.

Module

In der gegenwärtigen Photovoltaik-Technik gibt es drei grundlegend unterschiedliche Technologien, welche jeweils wieder verschiedene Herstellungsverfahren und Materialzusammensetzungen aufweisen. Das derzeit am meisten verwendete Material in der Photovoltaik ist Silizium, daher sind auch kristalline Siliziumzellen immer noch die mit großem Abstand meist produzierten PV-Zellen weltweit. Wie bereits im oberen Absatz erwähnt, konnten die ersten PV-Zellen aus Silizium bereits im Jahre 1954 mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 5% hergestellt werden. Durch lange Forschung und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet ist es heutzutage schon möglich kristalline Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20% herzustellen. Heutzutage haben sich einige Hersteller/-innen auf die Produktion von Dünnschicht Modulen spezialisiert, da die Herstellungskosten um ein Vielfaches geringer sind als bei den „dicken“ kristallinen Siliziumzellen. Als dritte Technologie wird in der Literatur von organischen PV-Zellen gesprochen, wobei diese nur eine vergleichsweise geringe Haltbarkeit der Module (um die 5 Jahre mit starkem Leistungsabfall), sehr hohe Kosten (8-10 €/W) und einen niedrigen Wirkungsgrad (im Labor 7,7%; am Markt 2-3%) aufweisen können und somit noch einen langen Weg bis hin zur wirtschaftlichen Marktreife vor sich haben.