Photovoltaik Funktionsweise

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen, meist aus dem Halbleiter Silizium. Anders als bei einem Solarthermie-Kollektor, der Sonnenlicht nur in Wärme umwandelt, entsteht bei der Photovoltaik unmittelbar elektrischer Strom.

Grundlage der Photovoltaik ist der photoelektrische Effekt: Trifft Licht mit ausreichender Energie auf ein Material, kann es Elektronen aus ihrer Bindung lösen. In einer Solarzelle wird dieser Effekt technisch genutzt, um aus dem Sonnenlicht gezielt elektrischen Strom zu gewinnen.

Viele einzelne Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet, mehrere Module wiederum bilden eine Photovoltaikanlage auf dem Dach eines Hauses oder auf einem Freiflächenkraftwerk. Photovoltaik zählt zu den erneuerbaren Energiequellen, weil Sonnenlicht praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht.

Eine Solarzelle besteht meist aus zwei dünnen Siliziumschichten, die unterschiedlich dotiert sind, das heißt mit geringen Mengen fremder Atome versetzt wurden. An der Grenze dieser beiden Schichten entsteht ein sogenannter PN-Übergang, ein eingebautes elektrisches Feld, das freie Ladungsträger räumlich voneinander trennt.

Trifft nun Sonnenlicht auf die Zelle, lösen die Photonen des Lichts Elektronen aus ihrer Bindung im Silizium. Der PN-Übergang trennt diese freien Ladungen so, dass sich zwischen den Kontakten der Zelle eine elektrische Spannung aufbaut, ähnlich wie bei einer Batterie.

Wird die Solarzelle mit einem elektrischen Verbraucher verbunden, fließt ein Gleichstrom durch den Stromkreis. Da die meisten Haushaltsgeräte und das öffentliche Stromnetz mit Wechselstrom arbeiten, wandelt ein Wechselrichter den erzeugten Gleichstrom in netzkompatiblen Wechselstrom um.

Ein häufiger Fehler ist die Verwechslung von Leistung und Energie, etwa wenn die Nennleistung eines Moduls in Watt-Peak direkt als tägliche Stromerzeugung verstanden wird. Tatsächlich ist die Nennleistung nur der Momentanwert unter Testbedingungen, die tatsächlich erzeugte Energie ergibt sich erst durch Multiplikation mit der Zeit.

Ein zweiter Fehler ist die Annahme, eine Solaranlage liefere bei bewölktem Himmel überhaupt keinen Strom. Tatsächlich erzeugen moderne Solarzellen auch bei diffusem Licht noch Strom, allerdings deutlich weniger als bei direkter Sonneneinstrahlung.

Ein dritter Fehler ist die Gleichsetzung von Photovoltaik und Solarthermie. Photovoltaik erzeugt elektrischen Strom, während Solarthermie-Kollektoren Sonnenlicht lediglich in Wärme zum Heizen oder für Warmwasser umwandeln, beides sind unterschiedliche Techniken mit unterschiedlichem Zweck.

Photovoltaik begegnet dir immer häufiger im Alltag: auf Hausdächern, an Balkonen als kleine Balkonkraftwerke und auf großen Freiflächen als Solarparks. Auch Taschenrechner mit Solarzellen und solarbetriebene Gartenlampen nutzen denselben physikalischen Effekt wie große Photovoltaikanlagen.

In der Energiewende spielt Photovoltaik eine zentrale Rolle, weil sie im Gegensatz zu fossilen Kraftwerken bei der Stromerzeugung keine Treibhausgase freisetzt. Da der Stromertrag jedoch stark von Sonnenschein und Tageszeit abhängt, wird Photovoltaik häufig mit Batteriespeichern oder anderen Energiequellen kombiniert.

Für die Klassenarbeit solltest du sicher zwischen Leistung in Watt und Energie in Wattstunden unterscheiden können und beide Formeln P ist gleich U mal I sowie W ist gleich P mal t anwenden können. Achte außerdem darauf, Einheiten wie Kilowatt und Kilowattstunden vor dem Rechnen einheitlich umzurechnen.