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Wie funktioniert ein PV-Panel?

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Inhalt

PV-Paneele bestehen aus einer Vielzahl einzelner Solarzellen, die aus Silizium hergestellt sind. Es gibt zwei Haupttypen von Solarzellen: polykristalline und monokristalline Solarzellen. Polykristalline Solarzellen werden aus Siliziumblöcken hergestellt, die in dünnere Scheiben oder Wafer geschnitten und zu Zellen verarbeitet werden. Monokristalline Solarzellen hingegen werden aus einem einzigen Siliziumkristall gezogen, was zu einer homogeneren Stru ktur und einem höheren Wirkungsgrad führt. [i]

PV-Panel - Monokristallines PV-Modul
PV-Panel – Monokristallines PV-Modul – © iStock.com/pictorius
PV-Panel - Polykristallines PV-Modul
PV-Panel – Polykristallines PV-Modul – © iStock.com/vidguten

Photovoltaischer Effekt

Solarzellen bestehen aus hochreinem Silizium in hoher Kristallqualität. Die Siliziumatome sind in einem stabilen Kristallgitter angeordnet. Jedes Siliziumatom besitzt vier Bindungselektronen, die eine Elektronenpaarbindung mit benachbarten Atomen eingehen, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Um Stromerzeugung zu ermöglichen, werden gezielt Verunreinigungen, sogenannte Dotieratome, in das Kristallgitter eingebaut. Diese Dotieratome, wie Phosphor oder Bor, erzeugen Störstellen im Kristallgitter und führen zu einer Störstellenleitung. [ii] Bei Einwirkung von Licht oder Wärme können Elektronenbindungen aufgebrochen werden, wodurch freie Elektronen entstehen und ein Loch im Kristallgitter zurückbleibt, was als Eigenleitung bezeichnet wird.

Solarzellen bestehen aus diesem Grund aus zwei Schichten, die unterschiedlich dotiert sind: einer n-dotierten Schicht, die überschüssige Elektronen aufweist, und einer p-dotierten Schicht, in der Löcher entstehen. An der Grenzschicht zwischen diesen Schichten entsteht ein internes elektrisches Feld, das bei Lichteinfall Elektronen von ihren Atomen löst. Die freien Elektronen bewegen sich zur n-Schicht, während die Löcher zur p-Schicht wandern. Diese gerichtete Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom, der Vorgang wird Photovoltaischer Effekt genannt. [iii]

Funktionsweise einer Solarzelle

PV Panel - Funktionsweise einer SolarzelleDie Funktionsweise einer Solarzelle beruht auf dem beschriebenen Photovoltaischen Effekt. Um den Photovoltaischen Effekt zu nutzen, bestehen Solarzellen wie beschrieben aus zwei Schichten. Die der Einstrahlung, also dem Sonnenlicht zugewandte Seite, die n-Schicht, enthält neben Silizium auch Phosphor, das mit fünf Elektronen ein überschüssiges Elektron aufweist, da Silizium nur 4 Elektronen aufweist und die Atome das Kristallgitter bilden. Die untere Schicht, die p-Schicht, besteht aus Silizium und Bor. Bor verfügt nur über drei Elektronen, wodurch ein so genanntes Elektronenloch entsteht. Die überschüssigen Elektronen aus der n-Schicht verbinden sich mit den Boratomen und es bildet sich eine Schicht aus Boratomen mit vier Elektronen auf der Außenhülle. Die obere Schicht, die n-Schicht, hat negative Elektronen abgegeben, wodurch diese zunächst positiv geladen ist. Die untere Schicht, die p-Schicht, hat negative Elektronen aufgenommen, wodurch sie zunächst negativ geladen ist. [iv]

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Photonen von den Elektronen absorbiert, wodurch die Elektronenbindungen aufgebrochen werden. Die überschüssigen Elektronen werden aus dem Boratom ausgestoßen. Die freigesetzten Elektronen werden durch das elektrische Feld in das n-Gebiet gezogen, während die entstehenden Löcher in das p-Gebiet wandern. Wird der Stromkreis geschlossen, fließt ein Strom. Zur Entnahme des Stroms ist es notwendig, dass auf der Vorder- und auf der Rückseite metallische Kontakte aufgebracht werden. Auf der Rückseite wird meist eine ganzflächige Kontaktschicht verwendet, während auf der Vorderseite ein dünnes Gitter die Lichtdurchlässigkeit gewährleisten soll. [v]

Herstellung von Solarzellen

PV Panel - Herstellung von Solarzellen
© iStock.com/enot-poloskun

Die Herstellung von Solarzellen aus kristallinem Silizium beginnt mit der Gewinnung von Rohsilizium durch Reduktion von Siliziumdioxid bei hohen Temperaturen. Das Rohsilizium wird dann zu Solarsilizium weiterverarbeitet, das eine Reinheit von 99,99 % erreicht. Solarzellen werden in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, hauptsächlich jedoch in Solarmodulen. Diese bestehen aus mehreren Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden sind.

Die Solarzellen sind in einer dünnen Schicht aus transparentem Material wie Glas eingebettet, um sie vor äußeren Einflüssen zu schützen und gleichzeitig das Sonnenlicht durchzulassen. Diese Schicht schützt die Solarzellen vor Beschädigungen und stellt sicher, dass das Sonnenlicht effizient absorbiert wird, um Strom zu erzeugen. Um die erzeugte elektrische Energie nutzbar zu machen, werden mehrere Solarzellen zu Solarmodulen verbunden, die wiederum zu einem PV-Panel zusammengefügt werden.

PV Panel - Herstellung von Solarzellen - 2
© iStock.com/industryview

Die Effizienz von PV-Panelen

Die Effizienz von PV-Panelen wird im Wirkungsgrad angegeben. Der Wirkungsgrad eines PV-Paneele ist somit ein wichtiger Faktor bei der Bewertung seiner Leistungsfähigkeit. Er gibt an, wie effizient das Panel Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Der Wirkungsgrad wird in Prozent angegeben und hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Qualität der Solarzellen, die Ausrichtung des Paneele, die Intensität der Sonnenstrahlung und die Umgebungstemperatur. Monokristalline Solarzellen weisen oft einen höheren Wirkungsgrad auf als polykristalline Solarzellen aufgrund ihrer effizienteren Nutzung des direkten Sonnenlichts. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass das PV-Panel mehr elektrische Energie pro Quadratmeter Fläche erzeugen kann, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit und rentableren Investition führt.

Die Wirkungsgrade von Solarzellen verbessern sich kontinuierlich. Lagen die Wirkungsgrade der führenden Modulhersteller vor ein paar Jahren noch unter 20 %, sind auf dem Schweizer Markt aktuell, zu Beginn des Jahres 2024, in der Regel PV-Module erhältlich, deren Wirkungsgrad um die 22% beträgt. [vi]

Die Ausrichtung und Neigung des PV-Paneele auf dem Dach sind ebenfalls entscheidend, um die maximale Sonneneinstrahlung zu gewährleisten und die Energieerzeugung zu optimieren. Ein optimal ausgerichtetes Dach kann die Energieerzeugung der PV-Anlage erheblich verbessern und den Stromertrag maximieren.

Wie lange halten PV-Module?

Die Qualität der Solarzellen und der Bauweise des PV-Paneele spielen eine wichtige Rolle für seine Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Hochwertige Solarzellen mit einer effizienten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie können die Leistung und Zuverlässigkeit des PV-Paneele verbessern. Die Konstruktion des PV-Paneele selbst, einschließlich des Rahmens und der Befestigungssysteme, trägt ebenfalls zur Gesamtleistung und Haltbarkeit bei. Ein gut konstruiertes PV-Panel kann eine längere Lebensdauer haben und eine zuverlässige Leisgatung über einen längeren Zeitraum bieten. Da die Hersteller von der Haltbarkeit ihrer Module überzeugt sind, erhält man beim Kauf und er Installation einer PV-Module grundsätzlich eine Produkt- und eine Leistungsgarantie auf die PV-Module. Bei Glas-Glas-Modulen beträgt die Produktgarantie, d.h. die Garantie des Herstellers auf die Verarbeitung bei Trina, einem der weltweit führenden Hersteller von PV-Modulen 25 Jahre und die Leistungsgarantie, also die Garantie auf die Leistungsstärke (in Watt) nach 30 Jahre 87,4 % der ursprünglichen Leistung. [vii]

Wie können Module optimal eingesetzt werden?

Die Installation eines PV-Paneele erfordert eine sorgfältige Planung und Auslegung, um die optimale Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Lage des PV-Paneele auf dem Dach, die Ausrichtung, Neigung und Verschattungseffekte müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um die maximale Sonneneinstrahlung zu gewährleisten. Darüber hinaus müssen alle elektrischen Komponenten, einschließlich des Wechselrichters und der Verkabelung, ordnungsgemäß installiert und verbunden werden, um eine sichere und zuverlässige Stromerzeugung zu gewährleisten.

PV-Panel - Solardach
© iStock.com/Mlenny

Der Beitrag von PV-Panelen zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft

Insgesamt bieten PV-Module eine nachhaltige und umweltfreundliche Möglichkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Sie sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Übergangs zu erneuerbaren Energien und tragen zur Schaffung einer nachhaltigen Energiezukunft bei. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von PV-Technologien und die Optimierung ihrer Funktionsweise sind entscheidend, um eine nachhaltige Energieversorgung für zukünftige Generationen zu gewährleisten. PV-Anlagen, die aus PV-Paneele bestehen, sind heute weit verbreitet und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören netzgekoppelte PV-Anlagen, die Strom ins öffentliche Netz einspeisen, und netzunabhängige PV-Anlagen, die zur Stromversorgung in abgelegenen Gebieten verwendet werden. Darüber hinaus werden PV-Anlagen auch in der Landwirtschaft, in der Industrie und im Wohnbau eingesetzt, um den Energiebedarf zu decken und Kosten zu senken.

Quellen

[i] Vgl. https://www.solaranlage.de/technik/solarzellen/, abgerufen am 01.02.2024

[ii] Vgl. https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/wie-funktionieren-eigentlich-solarzellen/, abgerufen am 01.02.2024

[iii] Vgl.https://www.wegatech.de/ratgeber/photovoltaik/grundlagen/solarzelle/, abgerufen am 01.02.2024

[iv] Vgl. https://www.wegatech.de/ratgeber/photovoltaik/grundlagen/solarzelle/, abgerufen am 01.02.2024

[v] Vgl. https://www.enbw.com/blog/energiewende/solarenergie/was-passiert-eigentlich-in-der-solarzelle/, abgerufen, am 01.02.2024

[vi] Vgl. https://www.fankhauser-solar.ch/products/, https://www.solarmarkt.ch/de/solarmodule, https://shop.krannich-solar.com/ch-de/solarmodule/module/, abgerufen alle am 01.02.2024

[vii] Vgl. https://www.solarmarkt.ch/de/trina-vertex-s-tsm-450neg9r-28-doppelglas-bf-r30-evo2, abgerufen am 09.02.2024

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