Sobald man sich mit dem Thema Solaranlagen beschäftigt, stellt sich bei vielen Menschen die Frage “Wie funktionieren Solarmodule und wie sind sie aufgebaut?”. Über die Funktionsweise und den Aufbau eines Solarmoduls Bescheid zu wissen kann in keinem Fall falsch sein.
Im folgenden Beitrag wird daher der Aufbau und die Funktionsweise von Solarmodulen erklärt, um deren Einsatz besser planen zu können.
Was ist eine Solarzelle – Definition?
Eine Solarzelle ist ein Bauelement, genau genommen ein optoelektronisches Bauelement, welches aus Strahlungsenergie elektrische Energie erzeugen kann. Die Basis, die diesen Effekt auslöst, ist der photovoltaische Effekt. Daher stammt auch der Name Photovoltaik oder photovoltaische Zelle.
Das Prinzip ist einfach erklärt: Sobald das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, wird diese Energie eingefangen und in elektrische Energie umgewandelt, welche nun für den Haushalt genutzt werden kann.
Die Solarzelle, deren Funktion und Aufbauweise
Photovoltaik- und Solarzellen sind sicherlich jedem ein Begriff, der schon einmal über Solaranlagen gelesen oder gehört hat. Doch um was handelt es sich genau? Im Grunde ist es eine Vorrichtung, die elektrischen Strom erzeugen kann. Diese Vorrichtung ist in den Solarmodulen verbaut und besteht aus mehreren unterschiedlichen Materialien, die zusammen Strom erzeugen können.
Der Kern eines Solarmoduls ist in den meisten Fällen ionisiertes Silicium, welches von polykristallinem oder monokristallinem Silicium umfasst wird. Wenn die Photonen ( das sind die Lichtteilchen) auf die Solarmoduloberfläche treffen, wird deren Energie auf die in der Zelle verbauten Halbleitermaterialien übertragen.
Dadurch entstehen Photonenlöcher-Paare und diese versetzen die Elektroden auf dem Halbleitermaterial in Bewegung. In einem Solarmodul befindet sich eine p-dotierte Schicht, zu der sich diese bewegen und eine n-dotierte Schicht, zu der die Elektroden gezogen werden.
Somit entsteht ein elektronisches Spannungsfeld in dem Solarmodul. Durch den Fluss der Elektroden entsteht elektrische Energie, die anschließend im Haus genutzt werden kann. Diese kurze und vereinfachte Darstellung zeigt auf, wie Strom in einem Solarmodul entsteht.
Solarzellen arbeiten in einem Solarpanel zusammen
In einem Solarpanel oder -modul befinden sich mehrere Solarzellen. In einem gebräuchlichen Solarpanel befinden sich zum Beispiel zwischen 60 und 90 Solarzellen, die zusammenarbeiten, um Energie zu erzeugen. Wie genau das funktioniert, ist einfach erklärt. Mittels Parallel- oder Serienschaltung werden die Solarzellen miteinander verbunden. Damit sie mit dem elektrischen System verbunden werden können, befinden sich an der Rück- und der Vorderseite leitfähige Schichten.
Aber auch die einzelnen Solarpanels einer Solaranlage sind miteinander in Reihe oder Serie geschaltet, um miteinander arbeiten zu können. Bei der ersten Variante ist der Wechselrichter erforderlich und bei der zweiten Variante fällt nicht die gesamte Anlage aus, wenn ein Panel nicht arbeitet.
Wie gelangt der Strom aus dem Solarpanel zur Steckdose?
Wie bereits erwähnt, erzeugen die Solarzellen aus Sonnenlicht, der Sonnenenergie, den Strom. Der erzeugte Strom kann jedoch nicht direkt in die Stromnetze des Hauses geleitet werden. Grund hierfür ist, dass der erzeugte Strom Gleichstrom ist, welcher nicht genutzt werden kann. Unsere Haushaltsgeräte sind darauf ausgelegt, mit Wechselstrom zu arbeiten.
Jede Solaranlage benötigt daher einen Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Der erzeugte Solarstrom muss entsprechend vom Solarpanel zum Wechselrichter geleitet werden und gelangt erst nach der Umwandlung in das Stromnetz des Hauses. So kann der selbst erzeugte Strom danach verbraucht oder im Batteriespeicher gespeichert werden.
Bestehen Unterschiede bei den Solarzellen?
Aufgrund des eher geringen Wirkungsgrades werden Dünnschicht-Solarzellen auf privaten Hausdächern nur sehr selten verwendet. Die am häufigsten verwendeten Solarzellen sind die monokristallinen Solarzellen, welche die höchste Leistungsstärke aufweisen. Diese haben die früher eingesetzten polykristallinen Solarzellen immer mehr verdrängt.
Die heute verwendeten Solarzellen sind auf Siliziumbasis und werden in:
- monokristalline
- polykristalline
- Dünnschicht
Solarzellen unterschieden.
Monokristalline Solarzellen
Die monokristallinen Solarzellen bestehen aus reinem Silizium. Das bedeutet, dass alle Kristalle der Schicht der jeweiligen Halbleiter die gleiche Größe aufweisen. Der Verlust an Energie ist daher in den Grenzbereichen von der Kristallgitterkonstruktion äußerst minimal.
Polykristalline Solarzellen
In den polykristallinen Solarzellen befinden sich unterschiedlich große Siliziumkristalle. Der Größenunterschied dieser Kristalle bewirkt vermehrt Energieverluste an den jeweiligen Übergängen. Dadurch weisen sie einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen auf.
Dünnschicht-Solarzellen
Bei den Dünnschicht-Solarzellen werden Silizium und andere Substanzen im Halbleitermaterial vermischt. Dadurch können die Solarzellen sehr flexibel und dünn auch auf Folien und Kunststoffe aufgetragen werden. Vergleicht man die Dünnschicht-Solarzellen mit den beiden anderen Varianten, so ist ihr Wirkungsgrad jedoch deutlich geringer.
Bestehen Alternativen zu den derzeit genutzten Solarzellen?
Bei der vorangehenden Beschreibung der Stromerzeugung aus Sonnenenergie werden Solarzellen genutzt. Es bestehen jedoch bereits Alternativen zu dieser beschriebenen Variante. Eine dieser Alternativen ist die bereits erwähnte Dünnschicht-Solarzelle. Diese Solarzellen werden aus außerordentlich dünnen Halbleitermaterial hergestellt. Da sie eine geringere Breite aufweisen, sind sie leichter im Gewicht und können auf gebogenen Solarpanels ohne Probleme aufgebracht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, diese Dünnschicht-Solarzellen auf Autodächern zu montieren. Die Innovationen und Entwicklungen in diesem Bereich sind enorm und werden in Zukunft sicherlich einige Verbesserungen bringen.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit, die sehr beliebt ist, ist die Verwendung bei Balkon-Kraftwerken. Weitere Varianten sind unterschiedliche Typen von Solarzellen, die in der Forschung eingesetzt werden. Des Weiteren bestehen noch die sogenannten CPS-Anlagen, die durch Spiegel und konzentriertes Licht arbeiten. Eine weitere Möglichkeit ist ein solarthermisches Kraftwerk, bei dem Wasser durch das Sonnenlicht erwärmt wird. Der entstehende Dampf treibt danach Turbinen an, die Strom erzeugen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass bei Privathäusern der Einsatz von Solarmodulen am geeignetsten ist und die beste Leistung erzielt werden kann.
Neue Verfahren und die Zukunft der Solarzellen
Durch die sich stetig verbessernde Technik und die steigende Nachfrage werden Solaranlagen in Zukunft sicherlich noch günstiger werden. Welche der bereits in Entwicklung stehenden Möglichkeiten sich in Zukunft durchsetzen werden, ist bisher nicht absehbar. In jedem Fall werden die zukünftigen Solarzellen sicherlich einen höheren Wirkungsgrad aufweisen und die Speicherkapazitäten werden ebenfalls ansteigen. Somit ist damit zu rechnen, dass selbst erzeugter Solarstrom in Zukunft um ein Vielfaches günstiger als der Strom vom öffentlichen Anbieter sein wird.
Die Solarleitungstechnik ist derzeit äußerst vielversprechend. Es wird momentan mit Nanodrähten in der Solar-Leitungstechnik experimentiert, die einen über 90-Prozentigen Wirkungsgrad aufweisen sollen. Zusätzlich wird an neuen Solarmodulen gearbeitet, die in einem Arbeitsgang die Solarenergie in Wärme und Strom umwandeln können. Dies würde eine Erhöhung der Energieeffizienz von mehr als 45 Prozent bedeuten. Eine weitere Neuerung sind die sogenannten Sphelarsolarzellen, die aus allen möglichen Einfallswinkeln die Sonneneinstrahlung nutzen können.
