Photovoltaik, auch bekannt als Solarstromtechnologie, ist ein Prozess, bei dem Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine Photovoltaikanlage besteht aus vielen Solarzellen, die in Modulen zusammengefasst sind. Wenn Licht auf die Solarzellen fällt, erzeugen sie Gleichstrom (DC), der dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird, der zur Verwendung im Haushalt oder im Stromnetz bereitsteht.
Aber wie genau wird diese Energieumwandlung erreicht? Die Antwort liegt in den Materialien, aus denen die Solarzellen hergestellt sind und in der Funktionsweise der Solarzellen selbst.
Grundsätzlich besteht eine Solarzelle aus zwei Schichten aus verschiedenen Materialien, die so aufeinander abgestimmt sind, dass sie Elektronenbewegungen in Gang setzen, wenn sie vom Licht getroffen werden. Die oberste Schicht der Solarzelle, die dem Licht am nächsten ist, ist in der Regel aus einer Silizium-Schicht hergestellt, die mit Phosphor angereichert ist, um eine negative Ladung zu erzeugen. Die untere Schicht besteht aus einer Silizium-Schicht, die mit Bor angereichert ist, um eine positive Ladung zu erzeugen. Zusammen bilden diese Schichten ein elektrisches Feld.
Wenn ein Photon, das ein kleines Paket Lichtenergie ist, auf die Solarzelle trifft, kann es ein Elektron aus der Silizium-Atomstruktur befreien, wodurch ein freies Elektron entsteht. Durch das elektrische Feld in der Solarzelle wird das Elektron zur oberen Schicht gezogen, wo es gesammelt wird, um Strom zu erzeugen. Wenn viele Photonen auf die Solarzelle treffen, entsteht ein Stromfluss, der proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist.
Obwohl dieser Prozess recht effektiv ist, da er erneuerbare Energie aus der Sonne nutzt, gibt es dennoch Möglichkeiten, ihn zu verbessern. Ein wichtiger Faktor ist die Effizienz der Solarzelle, die angibt, wie viel des einfallenden Sonnenlichts tatsächlich in Strom umgewandelt wird. Derzeit beträgt die durchschnittliche Effizienz von kommerziellen Solarzellen etwa 15-20%. Einige der neuesten Solarzellentechnologien erreichen jedoch bereits Effizienzwerte von über 40%.
Um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, gibt es verschiedene Ansätze. Einige der vielversprechendsten Technologien umfassen die Verwendung von mehreren Schichten von Materialien in einer Solarzelle, um ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts aufzunehmen, die Verwendung von Materialien mit höheren Absorptionskoeffizienten und die Verwendung von Konzentrator-Solarzellen, die das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche fokussieren, um die Effizienz zu erhöhen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Energieumwandlung in Solarzellen durch den Einsatz von Materialien, die auf Licht reagieren, und den Aufbau der Solarzellen selbst erreicht wird.
Die von einer Solarzelle erzeugte Energie wird in der Regel in Form von Gleichstrom (DC) geliefert, der nicht direkt in den meisten Haushalten und Unternehmen verwendet werden kann. Um diese Energie nutzbar zu machen, muss sie in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, der von den meisten elektrischen Geräten und Systemen verwendet wird.
Dafür wird ein Wechselrichter verwendet. Der Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Es gibt verschiedene Arten von Wechselrichtern, darunter zentralisierte Wechselrichter, String-Wechselrichter und Mikro-Wechselrichter.
Zentralisierte Wechselrichter werden normalerweise in großen Solaranlagen verwendet. Sie sind in der Regel größer und teurer als andere Arten von Wechselrichtern, können jedoch mehrere Solarmodule gleichzeitig steuern. Der Nachteil von zentralisierten Wechselrichtern ist, dass die Leistung der gesamten Anlage beeinträchtigt werden kann, wenn ein einziges Modul beschädigt ist oder nicht ordnungsgemäß funktioniert.
String-Wechselrichter werden normalerweise in mittelgroßen bis großen Solaranlagen verwendet. Sie sind kleiner und weniger teuer als zentralisierte Wechselrichter, können jedoch nur eine bestimmte Anzahl von Solarmodulen gleichzeitig steuern. Wenn ein Modul in einer String-Wechselrichter-Anlage beschädigt oder defekt ist, kann dies die Leistung des gesamten Strings beeinträchtigen.
Mikro-Wechselrichter sind kleinere Einheiten, die direkt an jedem Solarmodul angebracht werden. Sie können die Leistung jedes Moduls unabhängig von den anderen Modulen in der Anlage überwachen und steuern. Wenn ein Modul in einer Anlage mit Mikro-Wechselrichtern beschädigt oder defekt ist, wird nur die Leistung dieses Moduls beeinträchtigt, nicht die Leistung des gesamten Systems.
Sobald die Energie von der Solarzelle durch den Wechselrichter in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt wurde, kann sie in das Stromnetz eingespeist werden, um den Strombedarf von Haushalten und Unternehmen zu decken. Wenn die Solaranlage mehr Energie erzeugt, als benötigt wird, kann der überschüssige Strom in das Stromnetz eingespeist werden, um anderen Nutzern zur Verfügung zu stehen. In einigen Fällen kann der überschüssige Strom auch in Batterien gespeichert werden, um ihn später zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint.