Photovoltaik: Grundlagenwissen – 13 Fragen und Antworten

Was ist Photovoltaik? Wie funktioniert Photovoltaik? Welche Vor- und Nachteile bringt Photovoltaik? Was ist eine Photovoltaik-Anlage? Aus welchen Komponenten besteht eine Photovoltaik-Anlage? Diese und viele andere Fragen beantworten wir euch in diesem Beitrag zu Photovoltaik-Grundlagenwissen und Photovoltaik-Technik.

Was ist Photovoltaik? (Begriffserklärung, Definition)

Der Begriff Photovoltaik (kurz: PV) umfasst sowohl die technologische als auch die technische Seite der Stromerzeugung aus erneuerbarer Sonnenenergie (Lichtenergie). Licht zu Strom – bei der Photovoltaik ist der Name Programm: In dem Begriff stecken das griechische Wort für „Licht“ („phos“, im Genitiv: „photos“) und die Maßeinheit der elektrischen Spannung „Volt“.

Wie lange gibt es schon Photovoltaik? – Meilensteine der Photovoltaik-Geschichte

Schon im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel (1820 bis 1891) den sogenannten Becquerel-Effekt, einen spezifischen photoelektrischen Effekt. Der französische Physiker untersuchte damals gemeinsam mit seinem Vater sogenannte elektrolytische Zellen, indem er eine Platin-Anode und eine Platin-Kathode nutzte und den zwischen diesen beiden Elektroden fließenden Strom maß. Dabei bemerkte er, dass bei Licht etwas mehr Strom als im Dunkeln floss – er hatte die Grundlage der Photovoltaik entdeckt und nachgewiesen, dass sich Sonnenlicht in Strom umwandeln lässt.

Jahrzehnte später, im Jahr 1904, wies Albert Einstein theoretisch nach, was Becquerel einst im Experiment beobachtete. Dank Einsteins Arbeit kennen wir nicht nur den photoelektrischen Effekt, sondern auch seine Wirkungsweise.

50 Jahre später präsentierten die US-amerikanischen Bell-Laboratories erste funktionstüchtige Solarzellen – und schufen damit die Grundlage für Photovoltaik-Anlagen. 1958 bestückte man den Satelliten Vanguard 1 mit Solarzellen und schickte ihn ins All.

Lange Zeit verwandten nur die Raumfahrt und das Militär Solarzellen, um mit ihnen Sonnenlicht zu Strom zu machen. Erst im Zuge der weltweiten Ölkrise in den Jahren 1973/74 und den Reaktorunfällen in Harrisburg (USA) im Jahr 1979 und Tschernobyl (heutige Ukraine) im Jahr 1986 kam es zu einem Umdenken: weg von fossilen und atomaren Energiequellen – hin zu erneuerbaren. Forschung und Entwicklung von Möglichkeiten zur zivilen Nutzung von Solarenergie wurden weltweit angeschoben. Lest dazu gerne auch hier, was die atomare Verstrahlung von Haselnüssen in der Türkei infolge des Reaktorunfalls in Tschernobyl mit der Gründung unseres Unternehmens zu tun hat.

1990 startet Deutschland das sogenannte „1000-Dächer-Programm“, um den Ausbau der Photovoltaik voranzutreiben. Man führte die Einspeisevergütung ein, um Anreize zu schaffen, dass sich private Haushalte eine Photovoltaik-Anlage aufs Dach setzten. Heute sind bundesweit rund 3,7 Millionen Photovoltaik-Anlagen installiert, sowohl an und auf Gebäuden (Fassaden- und Dachanlagen) als auch auf freien Flächen (Freiflächenanlagen, FFA).

Welche Rolle spielt Photovoltaik im künftigen klimaneutralen Deutschland?

Um das Ziel zu erreichen, bis zum Jahr 2045 klimaneutral zu werden, setzt Deutschland auf Photovoltaik. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2023) legt in § 1 Absatz 1 als Ziel „die Transformation zu einer nachhaltigen und treibhausgasneutralen Stromversorgung, die vollständig auf erneuerbaren Energien beruht“, fest. Um dieses zu erreichen soll laut Absatz 2 desselben Paragrafen der „Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch im Staatsgebiet der Bundesrepublik Deutschland einschließlich der deutschen ausschließlichen Wirtschaftszone (Bundesgebiet) auf mindestens 80 Prozent im Jahr 2030 gesteigert werden“. Der „Ausbau der erneuerbaren Energien soll stetig, kosteneffizient, umweltverträglich und netzverträglich erfolgen“ (Absatz 3).

Das ist Deutschlands Ausbaupfad für Photovoltaik bis zum Jahr 2040

In § 4 des EEG 2023 findet ihr den sogenannten Ausbaupfad für Solarstromanlagen. Die Ziele in § 1 EEG sollen demnach erreicht werden mit einer Steigerung der installierten Leistung von Photovoltaik-Anlagen auf

• 88 Gigawatt im Jahr 2024,
• 128 Gigawatt im Jahr 2026,
• 172 Gigawatt im Jahr 2028,
• 215 Gigawatt im Jahr 2030,
• 309 Gigawatt im Jahr 2035 und
• 400 Gigawatt im Jahr 2040

sowie den Erhalt dieser Leistung nach dem Jahr 2040.

Der Strommengenpfad für den EE-Stromausbau bis zum Jahr 2030

Und in § 4a findet ihr den sogenannte Strommengenpfad mit Zwischenzielen als Richtwerte für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, die dazu dienen sollen, den Fortschritt des EE-Stromausbaus zu überprüfen:

• 287 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2023,
• 310 TWh im Jahr 2024,
• 346 TWh im Jahr 2025,
• 388 TWh im Jahr 2026,
• 433 TWh im Jahr 2027,
• 479 TWh im Jahr 2028,
• 533 TWh im Jahr 2029 und
• 600 TWh im Jahr 2030.

Ihr seht daran: Deutschland hat seine Ziele für den Photovoltaik-Ausbau konkret beziffert.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Das Sonnenlicht landet in Wellen bei uns auf der Erde. Es ist elektromagnetische Strahlung mit einem unverwechselbaren Spektrum, also masselose Energie in Form von Lichtteilchen, auch Photonen genannt. Diese Photonen haben bestimmte Eigenschaften, die sich die Photovoltaik zunutze macht.

Was ist eine Solarzelle?

Die Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement und der Ort der Stromerzeugung aus Sonnenlicht. In ihr kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Photonen und dem verbauten Material, zum Beispiel dem sogenannten Halbleiter Silizium, aus dem der Großteil der heutigen Solarzellen besteht.

Welche Solarzellen-Arten gibt es?

Die Qualität der Halbleiter beeinflusst die Leistung und die Lebensdauer der Photovoltaik-Anlage maßgeblich:

• Häufig kommen Module mit sogenannten kristallinen Solarzellen zum Einsatz. Diese halten 30 Jahre und mehr. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 16 und 24 Prozent bei monokristallinen Modellen und zwischen 14 bis 20 Prozent bei polykristallinen Modellen.
• Dünnschicht-Module mit sogenannten amorphen Solarzellen halten etwa 20 bis 25 Jahre und haben einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 14 Prozent.
• Für die noch recht neu am Markt erhältlichen sogenannten organischen Module lässt sich noch keine Lebensdauer nennen. Sie sollen (noch) nicht so lange halten, wie die anderen beiden Modultypen. Doch die weltweite Forschung macht hier große und rasche Fortschritte, so dass sich die eher verhaltene Prognose schon bald ändern kann. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 10 Prozent.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Schichten:

• Die obere Schicht enthält Siliziumatome mit jeweils vier Außenelektronen, die mit Phosphoratomen verbunden sind. Die Phosphoratome haben jeweils fünf Außenelektronen. Das Verbinden beider Atome führt zu einem überschüssigen Außenelektron (sogenannte n-Dotierung).
• Die untere Schicht der Solarzelle enthält Siliziumatome, die mit Boratomen mit jeweils nur drei Elektronen in Ihrer Außenhülle verbunden sind. Es gibt also Platz für ein weiteres Elektron (sogenannte p-Dotierung).

Überschüssige Elektronen aus der Silizium-Phosphor-Schicht der Solarzelle können sich folglich mit den Boratomen verbinden, woraufhin sich eine Schicht aus Boratomen mit vier Elektronen auf der Außenhülle (sogenannte Grenzschicht) bildet.

Und da die obere Siliziumschicht negative Elektronen abgegeben hat, ist sie vorerst positiv geladen, während die untere Schicht Elektronen aufgenommen hat und somit negativ geladen ist.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die in den Sonnenstrahlen enthaltenen Photonen dringen in das Halbleitermaterial der Solarzelle ein. Das besteht auf molekularer Ebene aus einem Kristallgitter, zusammengehalten von den negativ geladenen Teilchen (Elektronen) der einzelnen Moleküle in Paarverbindungen.

Trifft ein Photon auf eines dieser überschüssigen Elektronen in den Boratomen, kann es dieses aus seiner festen Verbindung im Gitter lösen. Die Energie des Photons wird dabei auf das gelöste Elektron übertragen, was es in einen höheren Energiezustand versetzt. Auf diese Weise gelöste, nunmehr ungebundene Elektronen können sich frei bewegen. Weil sich positive und negative Ladungen anziehen, wandern die negativ geladenen Elektronen zur positiv geladenen oberen Schicht der Solarzelle – es kommt zu einem Stromfluss. Es gilt: Der Strom fließt umso stärker, je mehr Elektronen von Photonen gelöst werden. Das Ganze ist der sogenannte innere Photoeffekt. Wegen des Stromflusses kommt es im unteren Teil der Solarzelle wieder zu einem Elektronenmangel und zu einer positiven Ladung.

Oben und unten besitzen Solarzellen eine metallische Leiterbahn, über die die Elektronen dann wieder zum unteren, diesmal positiv geladenen Bereich der Solarzelle (sogenannter Rückseitenkontakt) geleitet werden. Der über die Leiterbahnen erzeugte Stromfluss ist Gleichstrom, der über Kabel abgeführt werden kann.

Was ist eine Photovoltaik-Anlage?

Eine Photovoltaik-Anlage ist eine Solaranlage, also eine technische Anlage, die mit Hilfe des photovoltaischen Effekts Sonnenlicht in Strom umwandelt. Sie besteht aus unzähligen einzelnen Solarzellen, die zu Solarmodulen zusammengebaut werden. Da die Solarzellen Gleichstrom erzeugen, gehören zur Photovoltaikanlage noch weitere Bauteile, darunter Wechselrichter, die dafür sorgen, dass der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Denn nur der lässt sich vor Ort direkt verbrauchen oder ins öffentliche Stromnetz einspeisen.

Wichtig: Solaranlage ist nicht gleich Solaranlage!

Der Begriff Solaranlage gilt grundsätzlich für zweierlei technische Anlagen:

• für Photovoltaik-Anlagen
• und für Solarthermie-Anlagen.

Aber: Umgangssprachlich ist meist eine Photovoltaik-Anlage gemeint, wenn von einer Solaranlage die Rede ist.

Photovoltaik vs. Solarthermie: Was ist der Unterschied?

Während Solarthermie-Anlagen die Energie der Sonne in nutzbare Wärme umwandeln, erzeugen Photovoltaik-Anlagen aus der Lichtenergie der Sonne elektrische Energie (Elektrizität, Strom). Man nennt die Anlagen daher auch Solarwärmeanlagen und Solarstromanlagen.

Vertiefendes Wissen zur Solarthermie findet ihr hier auf unserem Blog: Was ist Solarthermie?

Was sind die Komponenten einer Photovoltaik-Anlage?

Die zu Solarmodulen verbauten Solarzellen bilden das Herz jeder Photovoltaik-Anlage. Die einzelnen Module werden in Reihe geschaltet – man spricht bei einer Reihe auch von einem Strang. Eine PV-Anlage kann aus mehreren solcher Modulstränge bestehen.

Hinzu kommen weitere Komponenten:

• Der Wechselrichter: Weil der Gleichstrom, den die Solarmodule liefern, meist nicht direkt nutzbar ist, gehört ein Wechselrichter zu einer Photovoltaik-Anlage. Er wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Hat die Anlage mehrere Modulstränge, kommen entsprechend mehr Wechselrichter zum Einsatz.
• Die Unterkonstruktion (Gestell, Aufständerung): Je nach Einsatzort (Standort) brauchen Photovoltaik-Anlagen unterschiedliche Unterkonstruktionen, um sie auf und an Gebäuden sowie auf freier Fläche zu installieren.
  • Dachanlagen können entweder per Unterkonstruktion auf die Dachhaut montiert werden. Oder sie ersetzen Teile der Dachhaut.
  • Fassadenanlagen können analog dazu entweder vor die Fassade montiert oder in diese eingelassen werden.
  • Freiflächenanlagen kommen auf Unterkonstruktionen, so dass sie entweder recht tief über dem Boden sitzen. Bei Konzepten zur Doppelnutzung der Fläche zur Erzeugung erneuerbarer Energie und landwirtschaftlicher Produkte kommen die Module auf so hohe Gestelle, dass landwirtschaftliche Fahrzeuge die Fläche darunter problemlos bewirtschaften können.
• Die Kabel: Der in den Solarzellen erzeugte Strom wird über Kabel von den Modulen zum Wechselrichter übertragen. Von dort führen Kabel zu, Stromkreis im Haushalt oder zum Netzanschluss.
• Der Stromzähler: Ist eure PV-Anlage installiert, wird auch der bisher gegebenenfalls benutzte Einweg-Hauptzähler in eurem Haus ausgetauscht. Stattdessen kommt ein Zähler zum Einsatz, der zählt, wie viel Strom ihr gegebenenfalls aus dem Netz zieht und wie viel ihr ins Netz einspeist.
• Die Sensoren: Über im Haus verteilte Sensoren werden die verschiedenen Stromflüsse gemessen, die sich mit dem Betrieb von Haustechnik und Haushaltsgeräten ergeben. Die Analyse dieser Stromflüsse ist Voraussetzung dafür, dass ihr euer Energiesystem effektiv managen könnt.
• Das Energiemanagementsystem: Für die Funktionalität an sich ist ein solches System nicht nötig. Der Einsatz der zentralen Steuer- und Kontrolleinheit hilft euch jedoch dabei, den eigens erzeugten Solarstrom zuverlässig und effizient zu verbrauchen.
• Die Batterie: Eine Photovoltaik-Anlage produziert den Strom tagsüber, denn sie braucht dazu Sonnenlicht. Die haushaltstypische Verbrauchskurve von Strom stimmt mit der Produktionsmenge nicht immer überein. Während mittags besonders viel Strom entsteht, brauchen Haushalte mit außer Haus arbeitenden und beschulten Bewohner:innen vor allem morgens und abends besonders viel Strom. Es lohnt daher, eine Batterie anzuschaffen, in der sich der tagsüber überschüssige Solarstrom speichern lässt, so dass er morgens, abends und nachts verbraucht werden kann.

Welche Vor- und Nachteile bringt Photovoltaik?

Mit einer Photovoltaik-Anlage macht ihr euch zum Energiewender. Ihr erzeugt euren Strom mit einer Technologie und Technik, die fit4future ist. Denn Solarstrom ist erneuerbarer Strom – die Sonne ist eine erneuerbare Energiequelle. Euer Sonnenstrom ist umwelt- und klimafreundlich. Es gilt: Jedes Watt erneuerbarer Solarstrom, das ein Watt fossil erzeugten Stroms ersetzt, bringt Deutschland näher ans Ziel, klimaneutral zu werden.

Mit einer eigenen Photovoltaik-Anlage auf dem Dach erzeugt und verbraucht ihr euren Strom direkt vor Ort. Der in der aktuellen Menge nötige und verlustbehaftete Stromtransport wird damit gesenkt. Das entlastet die Stromnetze – bundesweit brauchen wir weniger Hochspannungsleitungen.

Die dezentrale Stromerzeugung ist zudem ein Schritt in Richtung Demokratie. Jeder Stromerzeuger macht sich unabhängig von großen Stromlieferanten und deren sich seit Jahren erhöhenden Preisen.

Als Stromerzeuger und Stromverbraucher senkt ihr die Menge an teurem Netzstrom, die ihr aus dem Netz bezieht. Da eigens erzeugter Solarstrom deutlich niedrigere Gestehungskosten hat als der Netzstrom, spart ihr bares Geld. Zudem könnt ihr mit dem Einspeisen von überschüssigem Strom Geld einnehmen, denn dafür gibt’s die staatlich garantierte Einspeisevergütung.

Weil Deutschland die Energiewende zum nationalen Ziel erklärt hat, fördert der Staat Photovoltaik-Anlagen. Mehr dazu erfahrt ihr demnächst hier auf dem Blog!

Als Nachteil wird den PV-Anlagen oft ihr hoher Anschaffungspreis angekreidet. Dazu müsst ihr aber auch wissen, dass die Technik sehr langlebig ist und über lange Zeit die ursprüngliche Leistung liefert.

Welche Voraussetzungen müssen für den wirtschaftlichen Betrieb einer Photovoltaik-Anlage erfüllt sein?

Ganz klar: Eine Photovoltaik-Anlage braucht Sonnenstrahlen, damit sie sich für euch wirtschaftlich rechnet. Deshalb solltet ihr die folgenden 5 Punkte auf unserer Photovoltaik-Checkliste abhaken, bevor ihr eure Anlage kauft:

• Bietet euer Dach genug Platz für eine zu eurem Stromverbrauchsprofil passende Photovoltaik-Anlage?
• Ist das Dach stark genug, um das extra Gewicht der PV-Anlage zu tragen (Tragfähigkeit, Statik)?
• Muss die Anlage aufgeständert werden, um einen optimalen Einfallswinkel für die Sonnenstrahlen zu erzielen? Oder bietet das Dach von Haus aus eine gute Neigung (30 bis 50 Grad)?
• Ist das Dach gen Süden, Südwesten oder Südosten gerichtet? Dann bekommt es in unseren Breitengraden die meisten Sonnenstrahlen ab. Aber auch Dächer in Richtung Westen und Osten bringen hierzulande noch sehr akzeptable Solarstromerträge. Zur Eignung eures Dachs als Solardach müsst ihr wissen, dass sich der Großteil der 12,9 Millionen Ein- und 3,2 Millionen Zweifamilienhäuser in Deutschland für Photovoltaik (und auch Solarthermie) eignet. Die EUPD-Studie nennt 11,7 Millionen Dächer als geeignet, von denen noch 89 Prozent ungenutzt sind.
• Ist das Dach unverschattet? Schatten von Bäumen, hohen Sträuchern, Gebäudeteilen und Nachbargebäuden verringern den Solarertrag, weil die verschatteten Solarzellen weniger Strom erzeugen als die, die voll in der Sonne sitzen.

Wir stellen vor: Photovoltaik-Pakete von Paradigma!

Als Solarthermie-Pionier setzen wir seit Ende der 1980er-Jahre auf Solaranlagen zur Wärmeerzeugung und gehören seit Langem zu den Marktführer:innen. Jüngst haben wir Wärmepumpen und auch Photovoltaik-Anlagen in unserer Produktangebot aufgenommen.

Gut zu wissen: Kombiniert mit einer unserer Wärmepumpen und Solarthermie-Anlagen könnt ihr die Wirtschaftlichkeit eurer PV-Anlage noch erhöhen, da ihr den Eigenverbrauch an Strom steigert.

Das heißt, dass ihr dann auch weniger Strom zu niedrigen Preisen ins Stromnetz einspeist. Unsere PV-Module liefern sauberen Strom für die Wärmepumpe als Hauptheizung und andere Stromverbraucher:innen im Haus. Die Solarthermie-Kollektoren senken den Wärmeanteil, den ihr mit der Wärmepumpe decken müsst. Vor allem in den kalten Monaten steigert sich die Effizienz der Wärmepumpe dank der solarthermischen Unterstützung bei niedrigen Vorlauftemperaturen deutlich.

Wir bieten euch komplette Photovoltaik-Pakete mit Batteriespeicher, die ihr dank PV-Easy Anschlussbox mit Energie Management und Notstromfunktion einfach anschließen und betreiben könnt.

Foto: Africa Studio – Adobe.Stock.com (Titel), AllahFoto – Adobe.Stock.com (Grafik: Solarzelle), Paradigma (3)