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Photovoltaik (Solarstrom), der Wachstumsmotor der erneuerbaren Energien...

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren wichtigen Elementen, die nur in ihrem Zusammenspiel ihre Wirkung, die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom, entfalten. Eines dieser elementaren Bestandteile ist das Solarmodul, welches gängigerweise als Kollektor bezeichnet das Dächerbild vieler Häuser ziert.

Im Normalfall ist es nicht ein Solarmodul, welches die Stromerzeugung übernimmt. In der Regel arbeiten mehrere Solarmodule zusammen, meist entsprechend der optimalen Ausnutzung der individuellen Dachgegebenheiten.

Auch die Frage, wie es einem Solarmodul gelingt, aus der Sonnenenergie Strom zu erzeugen, lässt sich nicht durch die Nennung einer einzelnen Komponente beantworten. Dennoch ist es so, dass die Solarzelle das zentrale Kernelement des Solarmoduls ist. Sie bildet sozusagen das Herzstück der Photovoltaikanlage, ohne die das gesamte Stromerzeugungsvorhaben scheitert.

Solarzellenarten

  • Polykristalines Modul
  • Monokristalines Modul - Firma alphasolar
  • Polykristalines Modul

Was ist eine Solarzelle? Wirkungsgrad einer Solarzelle

Solarmodul

Im Grunde genommen ist das Prinzip einer Photovoltaikanlage recht einfach: Die Sonneneinstrahlung trifft auf das Solarmodul und wird dort direkt in elektrische Energie umgewandelt. Bleibt die Frage, wie diese Umwandlung vonstattengeht. Die Antwort darauf liefert die Solarzelle. Sie ist der Ort, an dem aus Sonnenlicht Strom wird.

Natürlich kann eine Solarzelle diese Aufgabe nicht von vorne herein erfüllen. Es ist ihre Bauart, die dies möglich macht. Eine besonders bedeutsame Rolle spielt dabei das Material, aus welchem die Solarzelle besteht. Es ist entscheidend dafür, ob aus Sonnenlicht Strom erzeugt werden kann und mit welcher Effektivität dies geschieht.

Je nach individuellen Bedürfnissen stehen verschiedene Materialien bei den Solarzellen zur Verfügung. Gängigerweise zu nennen sind:

  1. Silizium Solarzellen, alternativ monokristallin oder polykristallin sowie amorph als Dünnschichtsolarzelle
  2. Solarzellen mit Galliumarsenid
  3. Solarzellen mit Cadmiumtellurid
  4. Organische Solarzellen
  5. Farbstoff Zellen   
  6. Thermische Photovoltaik Zellen

Solarzellen basierend auf Silizium

Das gängigste Material, welches das Bild der Solarzellen dominiert, ist Silizium. Dabei handelt es sich um einen Halbleiter, der auf verschiedene Art seine Aufgabe innerhalb der Solarzelle wahrnehmen kann. So zum Beispiel in

  • Dickschicht Zellen – hoher Wirkungsgrad (bis 20 %) bei größerem Preis und hohem Produktionsenergieaufwand
  • Dünnschicht Zellen – geringerer Wirkungsgrad (max. 10 %) bei niedrigerem Preis und schnellerer Amortisation der Produktionsenergie

Außerdem muss bei den Silizium Solarzellen zwischen den Monokristallinen und den Polykristallinen unterschieden werden.

Halbleiter aus Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid

Silizium ist nicht der einzige Halbleiter, der die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom durchführen kann. Aus diesem Grund wurden bereits mehrfache Versuche mit anderen Halbmetallen durchgeführt und entsprechende Produkte als Solarmodule auf den Markt gebracht.

 

  • Galliumarsenid: hohe Wirkungsgrade (bis 30 %), äußerst robust gegenüber UV-Strahlen und Witterungseinflüssen, vergleichsweise teuer
  • Cadmiumtellurid: Wirkungsgrad annährend an Silizium (ca. 16 %), weniger robust als Galliumarsenid, preislich mit Silizium vergleichbar

Organische Solarzellen

Neben Cadmiumtellurid, Galliumarsenid und dem gängigen Silizium auf der Seite der Halbleiter, die innerhalb von Solarzellen gängigerweise Verwendung finden, hat sich auf diesem Gebiet in den letzten Jahren einiges getan. Organische Solarzellen haben den Markt erobert, sich allerdings noch nicht etablieren können. Der Grund hierfür liegt laut Expertenmeinung eindeutig auf der Hand.

Organische Solarzellen wandeln die Sonnenenergie in Strom mittels Kohlenwasserstoffen um, die man umgangssprachlich als Kunststoffe kennt. Dass diese organischen Chemieelemente bezüglich der Solarmodule überhaupt ins Gespräch und in die Forschung kamen, liegt an einigen Vorteilen, die organische Solarzellen zu bieten haben.

Organische Solarzellen sind:

  • einfach herzustellen
  • günstig in der Produktion
  • daraus resultierend günstig im Endverbraucherpreis

Allerdings führen die bislang noch nicht ausgehebelten Nachteile dazu, dass sich organische Solarzellen bislang noch nicht gegenüber den Halbleiter Konkurrenzprodukten durchsetzen konnten:

  • Wirkungsgrad unter 10 %
  • deshalb große Kollektorfläche erforderlich
  • Resultat ist ein höherer Gesamtanschaffungspreis
  • vergleichsweise hohe Anfälligkeit gegenüber Witterungseinflüssen und Sonneneinstrahlung und deshalb verkürzte Lebensdauer

Erforschung der Grätzel Farbstoffzelle

Die Grätzel-Solarzelle hat ihren Namen von ihrem Erfinder erhalten. Entsprechend ihrer Funktionsweise werden solche Solarmodule auch als Farbstoffzellen bezeichnet.

Aktuell konnten sich die Farbstoff Solarmodule noch nicht innerhalb der Photovoltaikanlagenproduktion durchsetzen. Zwar zeichnen sie sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, allerdings liegen noch keine Langzeiterkenntnisse zu dieser Art von Solarmodulen vor. Trotzdem könnte hierin die Zukunft liegen, da Grätzel-Solarzellen einerseits recht günstig in der Herstellung sind und zum anderen mit ihnen sich erstmals eine Art an Solarmodulen anbietet, die keine direkte Sonneneinstrahlung erfordert, sondern auch bei indirekter Sonnenkraft effektiv arbeitet.

Hybrid Solarzellen & thermische Photovoltaikmodule

Neben den gängigen, hier genannten Solarmodulen, hat der Photovoltaikmarkt noch weitere Solarzellen zu bieten, die sich jedoch bislang noch nicht manifestieren konnten. Dennoch darf auch ihr Potenzial nicht verachtet werden.

So gibt es beispielsweise die Hybrid Solarzelle, welche die Vorteile von organischen und anorganischen Inhaltsstoffen der Solarmodule zu vereinen versucht.

Besonders hoffnungsvoll wird allerdings in Richtung der Thermischen Photovoltaik-Zellen geblickt. Denn sie brauchen weder direkte noch indirekte Sonneneinstrahlung, sondern reagieren auf Wärme und können diese in elektrische Energie umwandeln. Die Zukunft dieser Solarmodulart wird aber wohl eher in großen Betriebsstätten liegen, die mittels einer solchen Solarzelle ihre Abwärme effektiv verwerten könnten.