Photovoltaik

Was ist Photovoltaik?

Zu Beginn stellt sich die Frage, was der Begriff „Photovoltaik” eigentlich heißt. Er setzt sich aus den beiden Teilen „Photo” und „voltaik” zusammen. „Photo” ist griechisch und bedeutet „Licht”. „voltaik” bezieht sich auf die Einheit für elektrische Spannung: Volt. Somit kann man sagen, dass der Begriff „Photovoltaik” in etwa „Lichtspannung” oder „elektrische Spannung durch Licht” bedeutet.

Im Gesamtkomplex der Solartechnik, also der Nutzbarmachung solarer Einstrahlung, stellt Photovoltaik nur einen Teilbereich dar. Heutzutage hat diese Technologie große Bedeutung für die zentrale und dezentrale Stromversorgung. Die Technologie lässt sich nicht nur flexibel in verschiedenen Bereichen einsetzen, sie ist auch sicher, wartungsarm und langlebig im Betrieb. Der mithilfe von Solarmodulen erzeugte Strom nimmt seit Jahren stetig zu und ist ein bedeutender Faktor auf dem Weg zu einer erfolgreichen Energiewende.

Wie funktioniert die Technologie?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren zusammengeschalteten Solarmodulen. Diese wiederum bestehen aus Solarzellen. Hier gibt es viele unterschiedliche technologische Ansätze (z. B. Heterojunction), die sich in verschiedenen Solarmodul Arten niederschlagen. Zentral für die Funktionsweise einer PV-Anlage ist die Solarzelle.

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, in der Regel Silizium. Unterhalb der Stromsammelschiene befindet sich eine Antireflexbeschichtung. Dann folgt eine Schicht n-dotiertes Silizium. Diese bildet mit der darunter befindlichen p dotierten Siliziumschicht eine Raumladungszone. Die untere Seite bzw. die unterste Schicht bildet der Rückkontakt. Durch solare Einstrahlung erzeugen absorbierte Photonen ein Elektron-Loch-Paar. Die Teilchen trennen sich, verlassen die Raumladungszone und werden zu den Kontakten transportiert. Die Löcher werden zum Rückkontakt und die Elektronen zum Frontkontakt befördert. Der Frontkontakt besteht aus schmalen Metallstreifen, die die erzeugten Elektronen zur Stromsammelschiene transportieren. Anschließend kann ein Verbraucher, der an die beiden Pole der Solarzelle angeschlossen wird, den Strom aufnehmen.

Geschichte der Photovoltaik

Wann wurden die ersten Grundlagen der Photovoltaik entdeckt? Welche Wissenschaftler haben die Forschung an der Technologie maßgeblich beeinflusst? Die wichtigsten Phasen dieser Entwicklung von 1839 bis in die Gegenwart werden im Folgenden dargestellt.

Die Anfänge der Photovoltaik im 19. Jahrhundert

Der Anfang der Photovoltaikforschung liegt im Jahr 1839. In dieser Zeit stieß der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel auf den photoelektrischen Effekt. Eine praktische Anwendung gab es allerdings noch nicht. Im Jahr 1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass das chemische Element Selen seinen elektrischen Widerstand verändert, wenn Licht darauf fällt. 3 Jahre später – im Jahr 1876 – fand der Brite William Grylls Adams heraus, dass Selen bei Belichtung Elektrizität erzeugt. Ohne die Nutzung von Wärme oder kinetischer Energie konnte auf diese Weise erstmals bewiesen werden, dass ein Feststoff einfallendes Licht in elektrische Energie umwandeln kann.

Im Jahr 1883 baute der Amerikaner Charles Fritts das erste Modul aus Selenzellen. Dies gilt als Vorläufer des späteren Solarmoduls für Photovoltaikanlagen. Ein Jahr später, im Jahr 1884 veröffentlichten Julius Elster und Hans Friedrich Geitel viel beachtete Forschungen zum lichtelektrischen Effekt in Deutschland. Grundlegende Arbeiten über den photoelektrischen Effekt wurden häufiger in dieser Zeit. Während Heinrich Rudolph Hertz im Jahr 1887 ebenfalls den lichtelektrischen Effekt entdeckte, welches Projekt von seinem Schüler Wilhelm Hallwachs weitergeführt worden ist, entdeckte der Italiener Augusto Righi im selben Jahr die Elektronenemission beim Photoeffekt. Zwischenzeitlich wurde Hallwachs zu Ehren der lichtelektrische Effekt auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Der in Österreich-Ungarn (heutige Slowakei) geborene Philipp Eduard Anton Lenard und der Brite Joseph John Thomson trieben die Erforschung des lichtelektrischen Effekts im auslaufenden 19. Jahrhundert weiter voran.

Wichtige Stationen der Entwicklung im 20. Jahrhundert

Auch der berühmte theoretische Physiker Albert Einstein ist ein wichtiger Bestandteil der Geschichte der Photovoltaik. Im Jahr 1905 erschien dessen Arbeit zur Lichtquantentheorie. Darin setzte sich Einstein mit dem photoelektrischen Effekt auseinander. Für seine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts im Jahr 1907, die auf eben diesen Arbeiten beruhte, erhielt der Deutsche 1921 den Nobelpreis für Physik. Die von Einstein entwickelten Überlegungen konnten von dem Amerikaner Robert Andrews Millikan experimentell bestätigt werden.

Abgesehen von den Forschungen rund um den lichtelektrischen Effekt war das 1916 von dem deutsch-polnischen Chemiker Jan Czochralski entdeckte Kristallziehverfahren von großer Bedeutung für die Photovoltaik und Halbleitertechnik. In 1934 wurde von Forschern eine dünne Solarzelle entwickelt, die Kupfer(I)-oxid auf der Oberfläche einer Kupferanode als Halbleiter nutzte. Bezüglich der Anwendung dieser Solarzellen hatte man bereits die Installation auf Hausdächern oder als Inselsystem bei einem Luftschiff zum Beispiel ins Auge gefasst. Im Jahr 1940 entdeckte der Amerikaner Russell S. Ohl, dass durch die Beleuchtung von Silizium Strom erzeugt werden kann. Ohl war auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen einen p-n-Übergang zu erschaffen. 1953 wurden in den Bell Laboratories in New Jersey von Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller und Gerald Pearson 2 cm² große kristalline Silizium-Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Zwei Jahre später – 1955 – wurden Solarzellen für die Stromversorgung von Telefonverstärkern eingesetzt.

Photovoltaik in der Raumfahrt ab 1958

Im Jahr 1958 nutzte ein us-amerikanischer Satellit zur Stromversorgung eines Senders unter anderem auch Solarzellen. Dies hatte mit dem Gedanken zu tun, dass die Solarzellen den Betrieb des Senders über eine längere Zeit hinweg gewährleisten können als eine chemische Batterie. Während die Batterie nach 3 Monaten bereits nicht mehr funktionierte, konnten die Solarzellen über einen Zeitraum von 6 Jahren den Betrieb des Senders sicherstellen. Raumflugkörper werden seitdem meist mit Solarzellen ausgestattet. Diese sind kostengünstiger und risikoärmer als Radioisotopengeneratoren. 2008 gelang es, dass Solarzellen sogar die Antriebsenergie für Ionentriebwerke von Raumsonden bereitstellen. Eine Raumsonde, die im Jahr 2011 in den Weltraum startete, wird durch die Energie von hocheffizienten und strahlungsresistenten Solarzellen angetrieben. Photovoltaik ist bei fast allen Satelliten die wesentliche Quelle für die Stromversorgung.

Photovoltaik: Entwicklung von installierter Leistung

Erst Anfang der 1990er-Jahre entwickelte sich ein Markt für Photovoltaikanlagen. Zuvor wurde bereits in Ländern wie Japan, USA und Deutschland intensiv zu diesem Thema geforscht. Aber Anlagen für den Massenmarkt gab es noch nicht. Trotzdem begann in dieser Zeit eine technologische Entwicklung, die in die Gegenwart und darüber hinaus reichen wird. Inwiefern sich die durch Photovoltaikanlagen installierte Leistung über die Jahre entwickelt hat, ist im Folgenden beschrieben:

Weltweite Entwicklung

Ende der 1990er-Jahre begann eine Phase, in der PV-Anlagen jährlich sehr starke Zuwachsraten zu verzeichnen hatten. So stieg zwischen 1998 und 2015 die installierte Leistung im Durchschnitt um 38 Prozent pro Jahr. Im Jahr 2020 waren auf der ganzen Welt Anlagen mit einer Leistung von 707 GW im Betrieb. Experten gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2030 ungefähr 10.000 GW und bis 2050 sogar 30.000 bis 70.000 GW Leistung installiert sein könnten.

Entwicklung in Deutschland

Auch in Deutschland begann der Ausbau von Photovoltaik in den 90er-Jahren. Mit der Fördermaßnahme „1000-Dächer-Photovoltaik-Programm“ wurde 1990 seitens der Bundesregierung der aktuelle Stand der Technik ermittelt. In der darauffolgenden Zeit zwischen 1991 und 1995 wurden ca. 2000 netzgekoppelte Anlagen mit einer durchschnittlichen Leistung von 2,6 kWp auf Dächern von Ein- und Zweifamilienhäusern in Betrieb genommen. Die Kosten waren zwar zu dieser Zeit wesentlich höher, aber die staatlichen Förderungen wiederum auch. So waren pro Kilowattpeak mehr als 12.000 Euro zu bezahlen, von denen allerdings 70 Prozent gefördert wurden.

Am 1. Januar 1991 trat in Deutschland das Stromeinspeisegesetz (StromEinspG) in Kraft. Das Gesetz sah vor, dass der Betreiber einer Photovoltaikanlage eine Einspeisevergütung in Höhe von 8,5 ct/ kWh erhält. Im Verhältnis zu den Gestehungskosten von 90 ct/kWh war diese Vergütung eher gering und führte zu einer verhaltenen Nachfrage.

Im Jahr 2000 wurde dieses Gesetz durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ersetzt. Das EEG beschleunigte den Ausbau von Photovoltaik in Deutschland. Während in 2000 114 Megawatt an Leistung installiert wurden, kletterte dieser Wert in 2010 auf mehr als 18.000 MW und erreichte nach einem weiterhin steilen Anstieg in 2020 die 53.000-MW-Marke. Innerhalb Deutschlands stehen die meisten Anlagen in Bayern. Danach folgen die Bundesländer Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen. Auf den letzten Plätzen liegen Bremen, Hamburg und Berlin.

Wo kommt Photovoltaik zum Einsatz?

Im Zuge der Energiewende und dem damit einhergehenden Vorhaben, die Gesellschaft in allen Bereichen klimafreundlicher zu machen, wird in Photovoltaik immer stärker investiert. Es nimmt nicht nur die Anzahl an Solaranlagen in Deutschland und weltweit zu. Darüber hinaus fließt die Technologie immer mehr in innovative Produktentwicklungen ein. Dabei handelt es sich um verschiedenste, sehr kreative Anwendungen, die oft für den Privat-, Hobby- und Freizeitbereich bestimmt sind. Dennoch gelten Solaranlagen auf Dach- und Freiflächen als die mit Abstand wichtigste Anwendung dieser Technologie. Im Folgenden werden unterschiedliche Einsatzbereiche der Photovoltaik vorgestellt:

Arten von Photovoltaikanlagen

Allgemein betrachtet, lassen sich Anlagen zunächst im Hinblick auf den Anschluss an das öffentliche Stromnetz differenzieren. So gibt es netzgekoppelte Solaranlagen – dies entspricht wohl dem Regelfall –, welche an das Netz angeschlossen sind, PV-Überschüsse einspeisen und im Notfall abgeregelt werden können. Auf der anderen Seite gibt es sogenannte Insel-Solaranlagen, die den Strom ausschließlich für den Eigenverbrauch erzeugen können.

Ein ebenfalls übergeordnetes Unterscheidungskriterium ist der Nutzer bzw. Betreiber. Dabei unterscheidet man zwischen privat genutzten Anlagen und gewerblich genutzten Anlagen. Photovoltaik für Unternehmen wird im Fachjargon auch mit „Commercial & Industrial (C & I)” umschrieben. Darunter fallen in der Regel auch Freiflächenanlagen, die man in besonders großer Dimension dann Solarpark nennt. Im Gegensatz dazu stehen Kleinstkraftwerke, sogenannte Balkonkraftwerke, die einen Beitrag zur Stromversorgung einzelner Haushalte leisten können.

Typischerweise verbindet man mit Photovoltaik sogenannte Aufdachanlagen. Dies ist tatsächlich ein besonders häufiger Fall. Wenn man von mehreren Spezialfällen absieht, gibt es hier Solaranlagen für Schrägdächer und ebenso Solaranlagen für Flachdächer. Deutlich seltener, aber möglicherweise in Zukunft vermehrt anzutreffen, sind Solarfassaden.

Um den Ausbau der erneuerbaren Energien voranzutreiben, versuchen staatliche und gewerbliche Akteure bestehende und bereits genutzte Flächen zusätzlich für Photovoltaik nutzbar zu machen. Aus diesem Bemühen entstanden verschiedene Modelle wie zum Beispiel Agri-PV für landwirtschaftliche Flächen, Floating-PV und deren Spezifikation Moor-PV für Wasserflächen sowie RIPV – „Road Integrated Photovoltaics” –, um Flächen über und seitlich von Straßen und Wegen für die Energiegewinnung zu verwenden.

Weitere Anwendungsbereiche

Seit 1958 wird Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt, später für Solaranlagen eingesetzt. Doch das sind bei weitem nicht die einzigen Anwendungsbereiche. Durch die Flexibilität der Technologie können auch nützliche Anwendungen im Privatbereich entwickelt werden. So lässt sich mit der Solarpowerbank das Smartphone umweltfreundlich aufladen. Auch im Bereich Campingzubehör gibt es mehrere Angebote wie Solarlampen, Solarrucksäcke sowie trag- und faltbare Solarmodule.

Eine weitere Möglichkeit der PV-Nutzung liegt in Garten- und Terrassenmöbel. In Form von Solarbank und Solartisch ist Photovoltaik in Outdoor-Möbel integriert. Diese Möbel verfügen über die jeweils typische Optik mit dem Unterschied, dass große Flächen (zum Beispiel Tischplatte und Stuhllehne) mit einem Solarmodul ausgestattet sind. Darüber hinaus gibt es seit langer Zeit Solartaschenrechner. Außerdem wird Photovoltaik teilweise in Kinderspielzeug verbaut, um darin vorhandene Antriebe mit Solarstrom zu versorgen. Auch in den Straßen von Städten sind kleine Solarmodule zu entdecken. Sie werden an Ampeln, Parkscheinautomaten oder anderen Automaten installiert, um eine konstante Stromversorgung zu gewährleisten.

Womit Photovoltaik kombinieren?

Solaranlagen können private Haushalte, aber auch Gewerbe und Industrie sowohl unterstützend als auch nahezu vollständig mit klimafreundlichem Strom versorgen. Bei der Planung im Vorfeld stellt sich die Frage, ob Photovoltaik mit anderen Technologien oder Geräten sinnvoll kombiniert werden kann. Wie die dezentrale Energieversorgung (elektrische Energie und Wärmeenergie) im Einzelfall konkret gestaltet werden kann, dafür gibt es unzählige Konstellationen.

Alleine im Bereich der Heizungsarten (Gasheizung, Ölheizung, Elektroheizung etc.) gibt es diverse Optionen, die letztendlich in einem ganzheitlichen Konzept mit Photovoltaik als Stromquelle kombinierbar sind. Dennoch sollen hier 3 Beispiele aufgeführt werden, die zeigen, wie Photovoltaik mit anderen Technologien ergänzt werden kann, sodass eine effiziente, zukunftsorientierte und klimafreundliche Versorgung gewährleistet werden kann.

PV + X: 3 Beispiele

Photovoltaik + Stromspeicher + Wallbox: Wer ein Einfamilienhaus besitzt und ein Elektroauto in der Garage stehen hat, für den ist die Kombination aus Solaranlage kaufen, Stromspeicher und Wallbox ein spannendes Modell. Der tagsüber erzeugte Strom kann von dem Stromspeicher zwischengespeichert und über Nacht – wenn das E-Auto wieder in der Garage steht – dem Fahrzeug zum Laden zur Verfügung gestellt werden. Durch den Stromspeicher und die Wallbox kann ein besonders großer Anteil des produzierten Solarstroms selbst genutzt werden.

Photovoltaik + Wärmepumpe: Ebenfalls im privaten Bereich wird immer wieder die Kombination aus einer Photovoltaikanlage und einer Wärmepumpe genutzt. Auf diese Weise können Strom und Wärme, die im Haus benötigt werden, jeweils aus regenerativen Energien bezogen werden. Besonders effizient und ökologisch ist es, dass der für den Wärmepumpenbetrieb benötigte Strom durch die PV-Anlage geliefert wird. Ergänzend wird nachts oder in Phasen geringer Sonnenstrahlung trotzdem Netzstrom sowie – abhängig von der Region eine Heizung gebraucht.

Photovoltaik + Solarthermie: Bei ausreichend verfügbarer Fläche – auf Dächern, Fassaden oder an anderen Stellen –, die belegt werden kann, besteht auch die Möglichkeit, sich für eine reine Solarlösung zu entscheiden. Mit der Mischung aus Photovoltaik und Solarthermie ist sowohl für Strom als auch für warmes Wasser und Raumwärme gesorgt. Auch hier ist in den meisten Fällen Netzstrom und eine herkömmliche Heizungsanlage als Zusatz notwendig.

Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien

Mit der sogenannten Energiewende ist die Bemühung gemeint, die allgemeine Energieversorgung von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien umzustellen. Zu diesen fossilen Rohstoffen gehören unter anderem Kohle, Erdöl und Erdgas, aber auch Ölsande, Ölschiefer oder Kernenergie, die durch kontrollierte Kernspaltung in Atomkraftwerken zu elektrischer Energie verwandelt wird. Im Gegensatz dazu stehen sämtliche Formen von erneuerbaren Energien. Für diese ist charakteristisch, dass sie aus einem sich erneuernden (wie z. B. Holz, Biodiesel oder Abfälle) oder unerschöpflichen (z. B. Sonnenlicht) Energieträger bestehen.

Photovoltaik als erneuerbare Energie

Die Erzeugung von Strom mithilfe von Solarmodulen ist womöglich eine der verbreitetsten und bekanntesten Verfahren im Bereich der erneuerbaren Energien. Auch die Versorgung mit Wärme ist möglich (Solarthermie). Belegte Dachflächen prägen zahlreiche Wohngebiete in Deutschland. Kaum einer Person sind diese Module nicht irgendwoher geläufig.

Dennoch ist es nur eine Möglichkeit von vielen, um mit sich erneuernden Energieträgern schadstofffreien Strom zu produzieren. Viele dieser Anlagen, die auf andere regenerative Energien zurückgreifen, sind allerdings für private Haushalte unmöglich zu nutzen, sodass Photovoltaik hier tatsächlich zu den interessantesten Lösungen zählt.

Weitere erneuerbare Energien im Überblick

Neben Photovoltaik im Bereich der Stromversorgung bietet vor allem Geothermie für Privatpersonen spannende Perspektiven – allerdings für umweltfreundliches Heizen. Das Phänomen der Geothermie wird mithilfe von sogenannten Wärmepumpen nutzbar gemacht. Es bietet sich sogar in vielen Fällen an, Geothermie bzw. Wärmepumpe und Photovoltaik miteinander zu kombinieren.

Darüber hinaus gibt es Wasserkraft bzw. Wasserkraftwerke, die Bewegungsenergie aus fließendem Wasser in elektrische Energie umwandeln. Ähnlich funktionieren Windkraftanlagen, die an Land oder auf See dafür genutzt werden, um aus Wind klimafreundlichen Strom zu erzeugen. Mit verschiedenen Verfahren kann Meeresenergie (Strom und Wärme) nutzbar gemacht werden. Dazu zählen Gezeitenkraftwerke, Meeresströmungskraftwerke, Meereswärmekraftwerke, Osmosekraftwerke und Wellenkraftwerke. Bei Bioenergie entsteht aus Biomasse (Holz, Abfälle etc.) durch Konversion elektrische Energie.

ErEne ist Ihr Photovoltaik Partner

Sie interessieren sich für Photovoltaik? Als Projektentwickler und Solarteur mit langjähriger Erfahrung ist die ErEne Green Technologies GmbH genau der richtige Partner für Sie. Von unserem Standort in Mettmann bei Düsseldorf aus realisieren wir seit Jahren Photovoltaikprojekte für private, gewerbliche und kommunale Kunden. Anhand von Referenzen ist es schnell möglich, sich selber einen Eindruck von den bisherigen Arbeiten zu machen. Neben Solaranlagen gehören jedoch auch ergänzende Produkte wie Stromspeicher, Wechselrichter und Wallboxen natürlich zum Portfolio von ErEne als breit aufgestelltem Partner im Bereich Photovoltaik. Unsere Experten beraten Sie gerne und stehen Ihnen bei Fragen rund um Solarenergie jederzeit gerne zur Verfügung.