Wie produziert eine Photovoltaikanlage Strom?

Solarstrom ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende und spielt eine entscheidende Rolle im Kampf gegen den Klimawandel. Als nachhaltige und erneuerbare Energiequelle ist die Photovoltaiktechnologie von großer Bedeutung. Aber wie genau kann aus Sonneneinstrahlung Strom produziert werden? In diesem Artikel erfährst du kurz und verständlich, wie eine Photovoltaikanlage funktioniert, wie sie Strom produzieren kann und welche Vorteile Photovoltaik mit sich bringt.

Was ist Photovoltaik?

Unter Photovoltaik wird ein technisches Verfahren verstanden, bei dem die Energie des Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies geschieht mithilfe von Solarzellen, die zu größeren Solarmodulen verbunden werden. Durch den photoelektrischen Effekt erzeugen die Solarzellen Gleichstrom, der dann durch einen Wechselrichter in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die Energie der Sonne genutzt, um Strom zu erzeugen.

Funktion & Aufbau einer Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlagen bestehen aus einer Anzahl verschiedener Komponenten, darunter zählen:

• Solarmodule
• Unterkonstruktion
• Anschlusselektrik & Verkabelung
• Wechselrichter
• Stromzähler
• Stromspeicher (optional)

Eine Photovoltaikanlage besitzt eine bestimmte Anzahl von Solarmodulen, die wiederum aus Photozellen bzw. Solarzellen bestehen. In den Solarzellen wird das einfallende Sonnenlicht in Strom umgewandelt. Das Licht besteht aus Photonen, die die Träger der elektromagnetischen Strahlung sind.

Solarzellen nutzen den sogenannten „inneren photoelektrischen Effekt“, der besagt, dass bestimmte Materialien unter Sonneneinstrahlung eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In den heutigen Solarzellen werden oftmals gezielt mit Fremdatomen verunreinigtes (dotiertes) Silizium verwendet. Es lassen sich aber auch Solarzellen aus Materialkombinationen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid, CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder organischen Verbindungen herstellen.

Allen verwendeten Materialien gemeinsam ist, dass es sich dabei um Halbleiter handelt. Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern wie z. B. Eisen und Nichtleitern, wie Glas oder vielen Kunststoffen, liegt. Darüber hinaus steigt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit steigender Temperatur.

Wie produziert eine Photovoltaikanlage Strom?

Um zu verstehen, wie eine Photovoltaikanlage funktioniert und Strom produzieren kann, ist es wichtig, den Aufbau der Solarzellen zu kennen. Sie bestehen aus:

1. Kontaktfläche + Stromleitung
2. n-Schicht (negativ geladen)
3. Grenzschicht (neutral)
4. p-Schicht (positiv geladen)
5. Kontaktfläche + Stromleitung

Um photoelektrisch aktive Siliziumschichten zu erzeugen, wird das Silizium dotiert. Das heißt, in das regelmäßige Siliziumgitter werden unterschiedliche Fremdatome eingeschleust. Typische Dotierungsstoffe sind Phosphor oder Bor.

Phosphor besitzt fünf Außenelektronen, also ein Elektron mehr als Silizium, während Bor nur drei Außenelektronen hat und damit ein Elektron weniger als Silizium. Dies führt zur Bildung einer Halbleiterschicht mit Elektronenüberschuss („n-Schicht“, wobei n = negativ) und eine mit Elektronenmangel („p-Schicht“, wobei p = positiv). Wenn die p- und n-Schichten zusammengebracht werden, findet ein Ausgleich statt, bei dem die Elektronen und die sogenannten „Löcher“ (Plätze im Gitter, wo Elektronen fehlen) aufeinander zuströmen und sich „rekombinieren“.

Dadurch entsteht eine schmale, neutrale Grenzschicht, die von zwei geladenen Schichten umgeben ist: einer positiven Schicht, die mit Bor dotiert ist, und einer negativen Schicht, die mit Phosphor dotiert ist. Über dieser Grenzschicht bildet sich ein elektrisches Feld. Fällt nun Licht auf die Grenzschicht, werden negative Elektronen und positive Löcher voneinander getrennt und durch das elektrische Feld zur jeweils anderen Seite gelenkt. Durch die Verbindung eines elektrischen Leiters an die beiden geladenen äußeren Schichten der Solarzelle fließt dann Strom.

Vorteile von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen bieten zahlreiche Vorteile und haben sich zu einer effizienten und nachhaltigen Methode zur Stromerzeugung entwickelt. Zu den Vorteilen zählen unter anderem:

• Kostenlose und unbegrenzt verfügbare Sonnenenergie
• Emissionsfreier und geräuschloser Betrieb der Photovoltaikanlage
• Unabhängige Energieversorgung durch Photovoltaik
• Nutzung des gewonnenen Stroms auch während der Nacht mithilfe von Stromspeichern
• Vielseitige Nutzung von Solarstrom, z. B. zur Hausheizung und Warmwasserbereitung
• Lange Lebensdauer von mehr als 20 Jahren
• Wartungsarme Eigenschaften von Photovoltaikanlagen
• Möglichkeit zur Inanspruchnahme von Fördermitteln bei der Installation einer Photovoltaikanlage

Mit selbst produzierten Solarstrom aus Photovoltaik kann jeder einen wertvollen Beitrag zur Energiewende und zum Klimaschutz leisten. Mit den vielfältigen Vorteilen von Photovoltaikanlagen steht einer nachhaltigen und unabhängigen Energieversorgung also nichts mehr im Wege.

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