Photovoltaik
Die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie mittels Solarzellen nennt man Photovoltaik. Das griechische "Photo" steht dabei für Licht, während "Voltaik" vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet ist, der grundlegende Arbeiten bei der Erforschung der Elektrizität leistete. Deshalb wurde auch die Maßeinheit Volt für die elektrische Spannung nach ihm benannt.
Die Photovoltaik ist sicher die eleganteste Art, die Sonnenenergie in Strom zu verwandeln. Man braucht lediglich die Solarzelle dem Licht auszusetzen, an ihren Kontakten den elektrischen Strom abzugreifen und mittels Wechselrichter den gewonnenen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Die Solarzelle stellt sozusagen ein elektrisches Minikraftwerk dar.
Solarzelle
Die Solarzelle nutzt den so genannten Photoeffekt, genauer gesagt den Sperrschicht-Photoeffekt zur Stromerzeugung. Der Photoeffekt ist im Prinzip schon seit über 150 Jahren bekannt. 1939 stellte der französische Physiker A. E. Becquerel fest, dass zwischen zwei Elektroden, die er zuvor in ein Säurebad getaucht hatte, ein Strom floss, wenn er die eine davon dem Licht aussetzte. 1873 entdeckte der britische Kabelingenieur Wiloughby Smith, dass das chemische Element Selen bei Belichtungsänderungen seinen elektrischen Widerstand verändert. Dies war die Geburtsstunde der Photozelle.
In der Folge wurden noch etliche solcher so genannten "Halbleiter" entdeckt, die unter dem Einfluss von Licht oder Wärme ihren elektrischen Widerstand verändern. "Halbleiter" werden diese Stoffe deshalb genannt, weil ihre elektrische Leitfähigkeit zwischen der von ausgesprochenen Leitern wie Kupfer und der von ausgesprochenen Isolatoren wie Glas liegt. Bei tiefen Temperaturen haben alle diese Stoffe keine oder sehr wenige freie Elektroden in ihrer Atomstruktur und sind damit praktisch Isolatoren. Dies ändert sich aber unter der Einwirkung von Licht oder Wärme. Die freien Elektronen vermehren sich dann und machen den Stoff zu einem mehr oder weniger guten Leiter.
Hinsichtlich der technischen Eigenschaften, Verfügbarkeit und unproblematischen Entsorgung erwies sich Silizium als das mit Abstand bestgeeignete Material zur Herstellung von Solarzellen. Es kommt in der Natur allerdings nicht in reiner Form vor, sondern muss erst in einem aufwändigen Verfahren aus Verbindungen zwischen Quarzsand oder Bergkristall gewonnen werden. Je nachdem, wie Silizium bei diesem Prozess auskristallisiert, unterscheidet man zwischen monokristallinem, polykristallinem und amorphen Silizium.
Für Solarzellen eigent sich das kostengünstigere polykristalline Silizium, das in Blöcke gegossen wird und mit dem sich Wirkungsgrade von 10 bis 13 Prozent erzielen lassen. Durch ein spezialgehärtetes Glas ist die Zelle gegen Erschütterungen und Witterungseinflüsse resistent. Um Verluste durch Reflexion des Lichtes zu mindern, sind die Solarzellen mit einer dünnen Schicht Titanoxid überzogen, die ein blaues Aussehen verleiht.
Die gemessene elektrische Energie wird in der Einheit "kWP" (Kilo-Watt-Peak) angegeben, die die Spitzenleistung der Module benennt. Module mit mehreren Solarzellen, flächenmäßig zu einer Konstruktionseinheit zusammenfasst. Mehrere Module ergeben einen Generator. Ein Modul mit 1 kWP erreicht diese Leistung unter einer Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter bei einem Lichteinfallswinkel von 1,5 AM ( Air Mass), das entspricht etwa 60°, und einer Zelltemperatur von 25°C. Je nach der Modulleistung eines Herstellers wird der Umfang einer gesamten Solaranlage für den Energiebedarf eines Halters errechnet. Aus diesem Umfang ergibt sich dann der Flächenbedarf einer Solaranlage. Jeder Hersteller hat seine eigenen Module mit ihren festgesetzten kWP-Angaben und Abmessungen.
Eine 1-kWP-Anlage leistet bei optimaler Ausrichtung zwischen 850 und 1300 kWH pro Jahr.