Photovoltaik ist eine Technik zur Stromerzeugung, bei der Sonnenlicht in elektrische Energie umge-wandelt wird. Das Wort Photovoltaik besteht aus den Wortteilen Phos (griechisch: Licht) und Volt (Maßeinheit der elektrischen Spannung). Photovoltaik wird oft als PV abgekürzt und in der Zusammensetzung „PV-Anlage“ verwendet. Die Energieumwandlung findet in Solarzellen statt: Das Sonnenlicht regt die Elektronen in den Solarzellen an, sich zu bewegen. Diese bewegten Elektronen fließen als Strom über Metallschichten am Rand der Solarzelle ab. Mehrere Solarzellen in Form eines Solarmoduls sieht man oft auf Hausdächern. Mehrere Solarmodule bilden eine Solaranlage (auch PV-Anlage). Man sieht sie oft auf großen Dächern oder Freiflächen.
Viele Solarzellen werden zu Solarmodulen zusammengeschaltet; auf dem Bild sind mehrere Solarmodule zu einer großen Solaranlage zusammengesetzt.
Solarzellen machen sich den photovoltaischen Effekt zu Nutze, um aus Sonnenlicht Strom zu gewinnen. Aber wie genau funktioniert das?
A) Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle
Arbeitsauftrag 1.1
- Lies die Infotexte und beschrifte das Schema der Solarzelle.
Infotext: Aufbau einer Solarzelle
Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten:
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Schutz- und Anti-Reflexschichten
Eine Solarzelle ist bedeckt von einer Schutzschicht aus Glas oder transparenter Folie. Eine dünne Anti-Reflexbeschichtung reduziert die Reflexion des einfallenden Sonnenlichts, damit möglichst viel Licht in das Silizium eindringen kann. -
Zwei Siliziumschichten
Silizium ist ein Halbleiter. Das bedeutet, es kann Strom unter bestimmten Bedingungen leiten. In reinem Zustand ist Silizium ein schlechter elektrischer Leiter. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, wird es dotiert, das heißt gezielt mit Fremdatomen versetzt. Eine Solarzelle hat zwei Siliziumschichten:
A) negativ dotierte Siliziumschicht (n-Schicht)
Die obere Halbleiterschicht ist mit Fremdatomen (meist Phosphor) dotiert. Phosphor hat fünf Außenelektronen, während Silizium nur vier besitzt. Das zusätzliche Elektron ist nur schwach gebunden und steht als freies Elektron zur Verfügung. Die n-Schicht enthält viele frei bewegliche Elektronen, die als negative Ladungsträger zur Stromerzeugung beitragen.
B) positiv dotierte Siliziumschicht (p-Schicht)
Die untere p-Schicht wird üblicherweise mit Bor dotiert, einem Element mit nur drei Außenelektronen. Dadurch entstehen in dieser Schicht sogenannte Elektronenlücken, auch „Löcher“ genannt. Die p-Schicht enthält viele dieser Löcher, die sich wie positive Ladungsträger verhalten.
An der Stelle, wo sich beide Schichten berühren, entsteht ein sogenannter pn-Übergang. -
Metallkontakte
Auf der Oberseite der n-Schicht befinden sich feine Metallkontakte, die Frontkontakte, die den erzeugten Strom ableiten, ohne zu viel Licht zu blockieren. Auf der Rückseite, unterhalb der p-Schicht, liegt eine metallische Schicht, die als Rückkontakt dient.
Infotext: Funktionsweise einer Solarzelle
So entsteht in einer Solarzelle elektrischer Strom:
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Voraussetzung: Der pn-Übergang
Beim Übergang der zwei Siliziumschichten (pn-Übergang) entsteht ein internes elektrisches Feld aufgrund des Ladungsausgleichs zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Schicht. Ohne Licht fließt jedoch kein Strom durch die Metallkontakte. -
Photonen treffen auf das Silizium
Wenn die Energie eines Photons groß genug ist, kann es ein Elektron aus seiner Bindung im Silizium herausschlagen. Dabei entsteht ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar. -
Bewegung von Elektronen und Löchern
Im Bereich des pn-Übergangs sorgt das elektrische Feld dafür, dass das Elektron zur n-Schicht gezogen wird, während das Loch zur p-Schicht wandert. Ein Loch ist kein echtes Teilchen, sondern das Fehlen eines Elektrons im Kristallgitter des Siliziums. Wenn ein Elektron in ein Loch springt, füllt es das Loch. Dadurch entsteht an der Stelle, von der es kam, ein neues Loch. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich in Richtung der n-Schicht. Die Löcher scheinen sich in die p-Schicht zu bewegen und wirken dabei wie positive Ladungsträger. -
Die Rolle der Metallkontakte
Werden die oberen und unteren Metallkontakte mit einem Verbraucher verbunden und der Stromkreis geschlossen, fließt das Elektron durch den äußeren Stromkreis von der n-Schicht zur p-Schicht. Dabei liefert es elektrische Energie, bevor es wieder mit einem Loch rekombiniert.
Arbeitsauftrag 1.2
- Prüfe dein Verständnis über die Funktionsweise von Solarzellen mit Hilfe der folgenden Fragen. Wähle die jeweils richtige Antwort aus.
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Welche Aufgabe hat die Anti-Reflexbeschichtung auf der Oberfläche einer Solarzelle?
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Was ist die Funktion der Metallkontakte auf der Ober- und Unterseite der Solarzelle?
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Was ist die Funktion des pn-Übergangs in einer Solarzelle?
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Rekombiniert das Elektron nach dem Stromfluss wieder mit einem Loch?
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Warum ist es sinnvoll, die n-Schicht zur Lichtseite hin und die p-Schicht darunter zu platzieren?
B) Einflussfaktoren auf die Effizienz einer Solarzelle
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von eingesetzter Energie zu nutzbarer Energie. Anders gesagt: Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der auf eine Solarzelle, ein Solarmodul oder eine Solaranlage auftreffenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden kann.
Wovon hängt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab?
Diagramm A
Diagramm A: U-I-Kennlinien einer Solarzelle bei konstanter Temperatur und unterschiedlicher Lichteinstrahlung (gemessen in Watt pro m2)
Diagramm B
Diagramm B: U-I-Kennlinien einer Solarzelle bei konstanter Lichteinstrahlung und unterschiedlicher Temperatur
Die Punkte auf den Linien in Diagramm A und Diagramm B kennzeichnen den Maximum Power Point (MPP). Der MPP ist der Punkt, an dem eine Solarzelle die meiste Leistung (P) erzeugt. Für die Leistung gilt die Berechnung $$P = U \cdot I$$
Arbeitsauftrag 2
- Sieh dir die Diagramme A und B an. Die folgenden Aussagen sind durcheinander geraten. Welche treffen zu, welche nicht? Ordne sie in richtig und falsch ein.
richtige Aussagen über Solarzellen
falsche Aussagen über Solarzellen
Solarzellen können nicht das ganze auftreffende Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Der Wirkungsgrad von Solarzellen, die heute verwendet werden, liegt bei etwa 18 bis 24% je nach Typ. Forschungsinstitute arbeiten daran, den Wirkungsgrad zu erhöhen; sie haben bereits entwickelt, die einen Wirkungsgrad von über 40% erreichen. Obwohl bisher nur etwa ein Viertel des Sonnenlichts genutzt werden kann, bieten Solaranlagen große Vorteile: die Ressource „Sonnenlicht“ ist kostenlos und unbegrenzt verfügbar, Solaranlagen können fast überall errichtet werden und sie verursachen keine klimaschädlichen Emissionen.
C) Von der Solarzelle zur PV-Anlage
Eine einzelne 15x15 cm große Solarzelle erzeugt nur eine geringe Spannung – typischerweise etwa 0,5 Volt und wenig Strom (ca. 5-9 Ampere). Um höhere Leistungen zu erreichen, werden mehrere Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschaltet. Dabei sind grundsätzlich zwei Verschaltungsarten möglich: die Reihen- und die Parallelschaltung.
Reihenschaltung
Parallelschaltung
Arbeitsauftrag 3.1
- Wähle die Wörter aus, die den Text über die Verschaltung von Solarzellen sinnvoll ergänzen.
- Welche Art der Verschaltung von Solarzellen und -modulen würdest du wählen, um eine maximale Leistung zu erhalten?
D) Von der PV-Anlage ins Stromnetz
Auch wenn Solarmodule das Herz einer Photovoltaikanlage sind, benötigen sie dennoch weitere Komponenten.
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Wechselrichter
Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Will man den Strom in das öffentliche Stromnetz einspeisen, braucht man aber 50 Hertz Wechselstrom, d. h. einen Strom, der 50-mal in der Sekunde seine Polarität wechselt. Dazu benötigen PV-Anlagen einen Wechselrichter- Wechseltrichter wandeln den Gleichstrom, der von einer PV-Anlage produziert wird, in Wechselstrom (230 Volt) um. -
Montagesystem
Damit die Module auch bei Wind und Wetter an ihrem Standort bleiben, benötigen sie mechanische Befestigungen. Ein übliches Solarmodul wiegt 15 bis 20 Kilogramm. -
Verkabelung
Verkabelungen befinden sich zwischen den Modulen, von den Modulen zum Wechselrichter und zum Hausanschluss oder Stromnetzanschluss. -
Zähler und Messtechnik
Stromzähler und moderne Smartmeter messen, wie viel Strom eine PV-Anlage produziert, wie viel Strom beispielsweise durch den Eigentümer der PV-Anlage verwendet wird und wie viel Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stromzähler messen auch, wie viel Strom beispielsweise ein Haushalt oder ein Handwerksbetrieb aus dem öffentlichen Stromnetz erhält.
Viele Haushalte und Unternehmen kombinieren ihre PV-Anlage mit einer Ladestation für E-Autos (Wallbox) oder mit einem Batteriespeicher. Der gespeicherte Strom kann entweder in sonnenarmen Zeiten, z. B. nachts, verbraucht oder an das öffentliche Stromnetz verkauft werden.
E) Bedeutung der Photovoltaik für die Energieversorgung
Die Stromerzeugung aus Sonnenenergie ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. 2024 stammten etwa 59 Prozent des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien, das entspricht 254,9 Terawattstunden (TWh). Die Solarenergie lieferte davon rund 63 TWh. Die Anlagengrößen reichen dabei von kleinen Balkonanlagen mit wenigen Hundert Watt Leistung über Dachanlagen auf Wohn- oder Gewerbegebäuden bis hin zu großen Freiflächenanlagen mit über 100 Megawatt Leistung. Die Lebensdauer von PV-Anlagen liegt etwa bei 25 Jahren.
Arbeitsauftrag 4
- Wie sehr stimmst du den folgenden vier Aussagen über Photovoltaik zu? Verwende die Schieberegler für eine erste Einschätzung und formuliere eine Begründung. Recherchiere falls nötig. Lies erst danach die fachliche Einordnung.
