Die Funktionsweise einer Solarstromanlage / Prinzip einer Solarzelle

Obwohl sich kein Teil mechanisch bewegt, entsteht Strom aus Licht.
Eine Solarstromanlage funktioniert im Grunde sehr einfach. Das wesentliche Element, das die Lichtenergie einfängt und in elektrische Energie umwandelt, ist die Solarzelle. Im Unterschied zu einem üblichen Generator, gibt es bei ihr keinerlei Drehbewegungen und deshalb weder Verschleiß noch Geräusche. Die Solarzelle liefert so genannten Gleichstrom wie ihn auch Batterien bereitstellen, beispielsweise im Auto oder in Mignon-Zellen.
Will man nun elektrische Geräte mit Solarstrom betreiben, gibt es ein kleines technisches Problem: Diese laufen nämlich nicht mit Gleichstrom, sondern nur mit so genannten Wechselstrom. Das ist die Stromart, die im öffentlichen Netz
zur Verfügung steht. Man benötigt daher einen Wechselrichter zur Umformung des Gleichstromes in Wechselstrom und spricht dann von
„ netzgekoppelten Fotovoltaikanlagen „. Allein sie sind gemeint, wenn wir im Folgenden von Solarstrom- oder Fotovoltaikanlagen reden.

So funktioniert eine Solarzelle (Prinzip einer Solarzelle)
Elektrischer Strom ist nichts anderes als fließende Elektronen in einem Leiter.
Wir entsinnen uns: Elektronen sind die kleinen negativ geladenen Teilchen, die um den positiv geladenen Atomkern flitzen. Der Strom wird in Solarzellen erzeugt, die das Sonnenlicht in freifließenden Elektronen umwandeln.
Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat unterschiedliche Varianten von Solarzellen hervorgebracht, die aus verschiedenen Materialien bestehen.
Für alle Arten von Solarzellen kann man aber in einfacher Weise die Fähigkeit zur
Energiewandlung darstellen (Wir erklären hier stellvertretend für andere die kristalline Siliziumsolarzelle):
Das Licht dringt in Form von Lichtquanten oder Photonen in die Solarzelle ein. Dort treffen die Photonen auf die äußeren Elektronen der Siliziumatome. Die Elektronen absorbieren das Photon und werden dadurch mit Energie angereichert. Damit verändern sie ihre angestammt Kreisbahn um das Atom. Die Bahn wird größer, und das Elektron entfernt sich von seinem Atomkern. Vergleichbares passiert beispielsweise auch mit dem Satelliten, der um die Erde kreist: Er entfernt sich von ihr, wenn er schneller wird, was gleichbedeutend mit einer höheren Energie ist. Ist die Energiemenge des Photons hoch genug, kann sich das Elektron ganz von dem Atomkern lösen. Das Ergebnis ist ein freies Elektron, das einen einsamen Atomkern zurücklässt. Weil ihm nun ein Elektron fehlt, spricht der Physiker hier von einem Loch. Auf diese Weise entstehen viele -
elektrisch positiv geladene – Atomkerne im Kristallgitter des Siliziums.
Hiermit ist jedoch noch nichts gewonnen. Denn die freien Elektronen wandern ziellos im Kristallgitter umher. Früher oder später fallen die Elektronen in eines der vielen - Löcher-, das heißt, sie binden sich wieder an seinen Atomkern, dem ein Elektron fehlt. Damit wäre die ganze Arbeit vergeben gewesen. Es muss also gelingen, die umherstreunenden Elektronen zu einer bestimmten Stelle zu ziehen, dem elektrischen Pol- um sie dann der Solarzelle entnehmen zu können. Hierzu haben die Physiker einen Trick auf Lager:
Sie bauen in die Siliziumscheibe ein elektrisches Feld ein. Dazu werden in das Kristallgitter einer Siliziumsolarzelle auf der, der Sonne zugewandten Seite in eine dünne Schicht gezielt Fremdatome eingebracht. Das hoch reine Silizium wird also absichtlich verunreinigt, der Physiker spricht bei diesem Vorgang von Dotierung. Hierzu wird meist das Element Phosphor verwendet. Phosphoratome sind etwa genau so groß wie Siliziumatome, haben allerdings ein Elektron mehr auf der äußeren Elektronenschale. Dieser Überschuss an Elektronen sorgt dafür, dass auf dieser vorderen Seite der Minuspol der Solarzelle entsteht.
Bereits bei der Herstellung der Siliziumscheiben ist das ganze restliche Silizium
mit einer kleinen Menge Boratome dotiert worden. Boratome passen auch sehr gut in das Kristallgitter des Siliziums, haben aber ein Elektron weniger auf der äußeren Schale als das Silizium. Damit ist das restliche Silizium positiv geladen. So entsteht auf der Rückseite der Pluspol. Verbindet man jetzt Minus- und Pluspol in der Regel über einen Stromabnehmer-, wandern die überschüssigen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol, wo ja ein Elektronenmangel herrscht.
Damit fehlen nun im Kristallgitter auf der Seite des Minuspols Elektronen. Hierdurch werden die von den Photonen produzierten umherschwirrenden freien Elektronen zum Minuspol gezogen und das Spiel beginnt erneut: Der Strom fließt.


Verschiedene Typen von Solarzellen

Zu den bekanntesten Solarzellen gehören die kristallinen Siliziumsolarzellen. Sie haben einen Anteil von 87% der weltweiten Produktion. Die Zellen haben eine Größe von 10x10 oder 15x15 cm. Seltener gibt es sie auch noch in der früheren runden Form. Sie gehören zu den Dickschichtzellen, da ihr Basismaterial in einer Stärke zwischen 0,2 und 0,3 mm aus kristallinen Siliziumblöcken herausgesägt oder aus einer Siliziumschmelze gezogen werden.
Im Vergleich dazu messen Dünnschichtzellen nur 10 bis 50 Mikrometer aktiven Materials. Sie werden auf Glas in Aufdampftechniken aus verschiedenen Materialien hergestellt. Da sie sowohl weniger Energiebedarf zur Herstellung benötigen, könnten sie in absehbarer Zeit die Dickschichtzellen zurückdrängen. Allerdings kämpfen die meisten Dünnschichtzellen zurzeit noch mit einem zu geringen Wirkungsgrad.

Die gegenwärtig bekanntesten Dünnschichtzellen sind die amorphen (nicht kristallinen) Siliziumzellen, die Kupfer-Indium-Diselenid Zellen (CIS) und die Cadmium-Tellurid-Zellen (CdTe). Während die Dünnschichtzellen nach den Aufdampfprozessen bereits die Fähigkeit haben, Lichtenergie in elektrische Energie zu wandeln, bedürfen die gesägten oder gezogenen, elektrisch noch passiven Dickschicht-Siliziumscheiben hierzu noch einiger thermischer und chemischer Behandlungen.

Wegen ihres hohen Verbreitungsgrades sprechen wir im Folgenden nur von den kristallinen Dickschichtzellen aus Silizium. Eine einzige Zelle hat nur eine Spannung von 0,6 V. Um höhere Spannungen zu erreich, müssen mehrere Zellen im Reihe geschaltet werden. Man spricht dann von einem String. Für höhere Ströme baut man mehrere solcher Strings parallel. Die Anordnung einer solchen Reihen-Parallel-Schaltung wird in einem Modul zusammengefasst.

Die Gesamtheit aller Module bildet die Solarstromanlage.
Die elektrische Leistung, die eine Solarzelle oder ein Solarmodul abgeben kann, hängt von der Sonneneinstrahlung ab. Da das natürliche Sonnenlicht im Tagesverlauf Schwankungen unterworfen ist, muss man Normbedingungen vereinbaren, bei denen die Zellen oder Module vermessen und verschiedene Zellarten miteinander verglichen werden können.


Die Normwerte lauten: Flashwerte von Modulen werden so ermittelt:

Eine Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter,
eine Zelltemperatur von 25° Celsius, und einen
Air-Maß-Wert von 1,5.
Der Air-Maß-Wert gibt das Vielfache des Lichtweges durch die Erdatmosphäre, gegenüber dem Lichtweg bei Sonnenstand senkrecht über der Erdoberfläche an. ( Am Äquator ist zur Mittagszeit der AM-Wert 1.)
Damit wird die Dicke der Luftschicht definiert, die das Licht auf dem Weg von der Sonne zur Solarzelle zurücklegen muss. Damit einher geht auch eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts, da einige Farben des Lichts von der Atmosphäre stärker geschluckt werden als andere. Ein Maß für die Fähigkeit einer Solarzelle oder eines Moduls, die eingestrahlte Lichtleistung in elektrischen Strom zu wandeln, ist der Wirkungsgrad. Er ist in Prozent definiert als das Verhältnis von eingestrahlter Solarleistung, zu abgegebner elektrischer Leistung, über eine bestimmte Fläche einer Zelle oder eines Moduls.

Für die hier betrachteten kristalinen Siliziumzellen liegt er zurzeit bei etwa 16%, was bei einer 10x10 cm großen Zelle zu einer elektrischen Leistung von 1,6 Watt, bei einer Gleichspannung von 0,6 V und einem Gleichstrom von 2,6 A führt.
Man nennt dies auch die Peakleistung oder Spitzenleistung (angegeben in Wp oder Wpeak), da sie nur bei der relativ selten auftretenden, hohen Normeinstrahlung abgegeben wird. Sie ist deshalb eigentlich ein eher theoretischer Nenn- oder Vergleichswert. Man darf sich also nicht der Illusion hingeben, dass ein Modul von beispielsweise 50Wp immer 50Watt liefert. Die Strahlungsintensität in Deutschland liegt meist zwischen 400 und 700 W/cm⊃2;, was in diesem Beispiel dann eine Leistung zwischen 20 und 35 Watt bedeutet.
Bei der Montage des Solargenerators ist auf ausreichende Kühlung zu achten. Denn der Wirkungsgrad von Solarzellen fällt bei steigender Zelltemperatur stark ab.

Der Anlagenaufbau
Die vom Solargenerator auf dem Dach erzeugte elektrische Energie gelangt über eine Gleichstromleitung ins Haus.
Der Solargleichstrom muss nun durch einen Wechselrichter an die Stromart, Wechselstrom des öffentlichen Netzes, angepasst werden. Im Prinzip ist ein Wechselrichter ein Umschalter, der den Gleichstrom einmal in die eine Richtung und einmal in die andere Richtung ins Netz speist.

Der tatsächliche Wechselrichterbetrieb erfolgt allerdings in verschiedenen Schaltungsvarianten mit elektronischen Schaltern, meist Transistoren, die alle zum Ziel haben, die Ausgangspannung des Wechselrichters so umzuformen, dass sie der sinusförmigen Wechselspannung des Netzes entspricht. Gegebenenfalls muss auch noch das Spannungsniveau der Gleichstromseite an das der Wechselstromseite angepasst werden. Dies geschieht in der Regel mit einem Transformator. Im Wechselrichter sind noch zwei weitere wichtige Elemente der Solarstromanlage untergebracht: der Überspannungsschutz und die ENS. Der Überspannungsschutz verhindert, dass bei einer Überspannung im Stromnetz die Solaranlage beschädigt wird, und bietet dem Solargenerator gleichzeitig Schutz gegen Einflüsse bei einem Gewitter. Ein direkter Blitzschlag würde die Anlage allerdings in jedem Fall zerstören, jedoch kommt dies äußerst selten vor. Doch, wenn der Blitz nicht direkt einschlägt, wirkt der Solargenerator wie eine Antenne und empfängt die durch Blitze ausgelösten Störungen in Form elektromagnetischer Stoßwellen. Damit können sich an der Eingangsseite des Wechselrichters erhebliche Überspannungen von mehreren 1000 V aufbauen. Da diese Spannungen auch noch von der Leitungslänge zwischen Solargenerator und Wechselrichter abhängen, sollte trotz Überspannungsschutz der Wechselrichter in nicht allzu großer Entfernung vom Solargenerator montiert werden.
Das Kürzel ENS wird definiert als eine Schaltung aus zwei voneinander unabhängigen Einrichtungen zur Netzüberwachung, mit zugeordneten allpoligen Schaltern in Reihe. Dieses Element dient der sicheren Abschaltung der Solaranlage bei Netzausfall. Die Wechselrichterausgangs-Leistung wird danach zu einem Stromzähler geführt, der die
produzierte Strommenge misst. Von dort gelangt der Strom in den Hausanschlusskasten und damit in das öffentliche Netz.

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