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Was ist Photovoltaik?

Der Begriff Photovoltaik ist zurückzuführen auf Phos (griechisch: Licht) und Volt (Maßeinheit der elektrischen Spannung).
Folglich steht Photovoltaik für die Umwandlung von Sonne mittels Solarmodulen in elektrische Energie.

 

Zur Geschichte

Bereits 1839 erkannte der französische Physiker Bequerel, dass die Sonneneinstrahlung ein enormes Energiepotential darstellt. Trotzdem fand diese Art der Energieumwandlung erst ab Mitte der fünfziger Jahre im 20. Jahrhundert besonders in der Raumfahrt (Satelliten) Anwendung.

Seit Inkrafttreten des "Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)" am 01.04.2000 sind die Energieversorgungs-unternehmen verpflichtet, PV-Strom abzunehmen und mit festgelegten Einspeisevergütungen 20 Jahre lang zuzüglich der restlichen Monate des Jahres der Inbetriebnahme zu bezahlen.

In der Entwicklung leistungsstarker Solarzellen aus Silizium lag der Schlüssel zum Erfolg. Die PV bildet eine unerschöpfbare Energiequelle, da sie sich der kostenlosen Energie der Sonne bedient. Vorteilhaft ist zudem, dass keine Abfallprodukte (Abgase, Rückstände, Geräusche) entstehen.

 

Photovoltaischer Effekt

Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Halbleiterbauelementen, die das Licht in elektrische Energie umwandeln. Halbleiter werden bei Licht und Wärme elektrisch leitfähig. Es sind drei Schichten vorhanden, die beiden äußeren sind positiv und negativ geladen und die innere Schicht (Grenzschicht) ist neutral. Die Grenzschicht ist die wichtigste, da sie die Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandelt.
Wird die Grenzschicht der beiden Halbleiter mit Licht bestrahlt, entsteht elektrische Spannung und die Energie des Lichts befreit negative Ladungsträger im Material. Es entsteht ein Photovoltaischer Effekt. Wenn man einen Verbraucher anschließt, fließt die Ladung von der positiven in die negative Schicht, der Kreislauf ist geschlossen und die Stromerzeugung ist aktiv.

Ein Modul ist eine Gruppe zusammengeschalteter Solarzellen.

 

Wie werden Solarmodule hergestellt?

Ausgangsmaterial der PV-Zellen ist hochreines Silizium, das in dieser Form in der Natur nicht vorkommt.
Das Reinigen des Siliziums, das nur verbunden mit anderen Elementen existiert, ist der teuerste Vorgang in der Produktion von PV-Zellen.
Nach der Reinigung werden die hochreinen Siliziumstäbe in flache Scheiben zerteilt und anschließend geglättet. Danach folgt das "Dotieren".
Bei diesem Prozess verunreinigen Fremdatome die Siliziumscheiben. Nach diesem Vorgang haben die Siliziumscheiben Halbleitereigenschaften und können prinzipiell schon als PV-Zellen bezeichnet werden.
Abschließend werden die PV-Zellen zu Modulen zusammengeschaltet und aus Schutz vor Wetterbedingungen wie Regen, Schnee etc. hinter eine Glasplatte gesetzt.

Ein anderes Verfahren erzeugt z.B. Dünnschicht Module aus amorphem Silizium, indem Siliziumatome auf eine Glasscheibe aufgedampft werden.

 

Welche verschiedenen Arten von Silizium-Solarzellen gibt es?

Man unterscheidet, zurückzuführen auf die unterschiedlichen Herstellungsverfahren, folgende Arten von PV-Zellen:

  1. Monokristalline Zellen
    Sie werden aus einer gereinigten Siliziumschmelze (im Tiegel werden Atome in eine Richtung ausgerichtet) gezogen und besitzen einen hohen Wirkungsgrad (bis 23%). Charakteristisch ist ihre einheitliche, meist fast schwarze Färbung. Wegen der aufwendigen Fertigung sind monokristalline Zellen relativ teuer.

  2. Polykristalline/multikristalline Zellen
    Diese Zellen werden erst in Blöcken gegossen und dann in Scheiben von 0,25 bis 0,4 mm zersägt. Charakteristisch ist die deutlich erkennbare Musterung, die durch die Zusammensetzung unterschiedlicher Kristalle zustande kommt.
    Polykristalline Zellen haben einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Zellen. Er beträgt etwa 20%. Der Preis ist geringer als bei monokristallinen Zellen.

  3. Amorphe Zellen / Dünnschichtsolarzellen
    Amorphe Zellen sind Solarzellen, deren Flächen z.B. aus einer mit Silizium bedampften Glasscheibe bestehen. Erkennbar sind sie an ihrer dunklen Färbung. Trotz des geringen Wirkungsgrades (ca. 10 %) sind sie sehr effizient, da sie auch schwaches, diffuses Licht nutzen und einen guten Temperaturkoeffizienten haben. Diese Art der Solarzellen sind in allen erdenklichen Formen herstellbar (rund, sechseckig...) und können als Wirksubstanz z.B. amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid haben.

 

Welche Vorteile sich aus der Nutzung von PV-Anlagen ergeben, entnehmen Sie bitte den Texten unter "- Argumente für Photovoltaik und Marktentwicklung".

 

Die rechtliche Situation

Die Einspeisung in das öffentliche Netz und Anderes wird durch das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) garantiert. Es ist am 01.04.2000 in Kraft getreten.
Der Europäische Gerichtshof hat das deutsche EEG im Frühjahr 2001 bestätigt.
Andere europäische Länder wie Spanien, Portugal, Frankreich, Niederlande, Italien, Österreich und Griechenland folgten dem deutschen Beispiel.

- Ökologie:

Unbegrenzte Energie ohne Emissionen: Die Energie der Sonne ist gewaltig. Sie sendet täglich 15.000 mal mehr Energie auf unseren Planeten als wir täglich weltweit verbrauchen.

Mit einer 1-kW großen PV-Anlage mit ca. 8 m² Dachfläche kann in Deutschland eine Strommenge von 900 bis 1.200 kWh im Jahr produziert werden.

Mit Hilfe des "Deutschen Wetterdienstes Hamburg" lässt sich die regionale, nutzbare Energiemenge durch jahrelange Erhebungen fast quadratkilometergenau belegen, und es lässt sich damit die Wirtschaftlichkeitsberechnung absichern.

Photovoltaikanlagen stoßen kein CO2 aus, sondern ersparen der Umwelt pro 1-kW-Leistung im Jahr 750 Kg schädliches CO2 !
Die negativen Auswirkungen fossiler Energieträger wie Kohle, Mineralöl und Gas auf die Atmosphäre beeinflussen das Weltklima (Erderwärmung) und gefährden natürliche Lebensgrundlagen. Das Einsparpotential von CO2 durch Photovoltaik liegt weltweit bis 2020 bei 170 Mio. Tonnen.

Schließlich sind die fossilen Energieträger endlich. Voneinander unabhängig kommen z.B. Studien der Mineralölkonzerne BP, Shell und Total zu ähnlichen Ergebnissen: die Fördermöglichkeit von Erdöl wird in ca. 50 Jahren nicht mehr gegeben sein. Seine Verknappung aufgrund steigender Verbräuche (Steigen der Weltbevölkerungszahl, dramatisches Wirtschaftswachstum und enormer Energiebedarf ehemaliger Schwellenländer wie China und Indien, Energieverschwendung z.B. in USA) wird die Preise explodieren und Verteilungskämpfe (Irak-Krieg) entstehen lassen.

Atomstrom ist allein schon deshalb keine Alternative, da auch die Verfügbarkeit von Uran endlich ist.

Sinnvoller, als es als Energieträger zu nutzen, sollte man Erdöl der Chemie und Pharmazie vorbehalten.

Die Energiebilanz von PV-Modulen ist exzellent: Bereits nach 2-3 Jahren ist die zu ihrer Herstellung benötigte Energie durch den Stromertrag reproduziert und bei einer Lebenserwartung von Qualitätsmodulen von bis zu 40 Jahren und dem einfachen Recycling ihrer wesentlichen Komponenten Silizium, Glas und Aluminium sind PV-Module ökologisch vorbildlich.

Der Hauptbestandteil, nämlich Silizium (Quarzsand), ist als 2. häufigstes Element in großen Mengen verfügbar.

Und: Photovoltaik-Module werden in der Regel auf Dächern montiert und erfordern keinen weiteren Flächen- und Landschaftsbedarf.