Die Grafik zeigt ein Haus mit allen wichtigen Komponenten für Photovoltaik. Man sieht sehr gut den Prozess vom Solar-Panel bis hin zum Stromspeicher, einer Cloud-Lösung und einer Wallbox, mit der man das eigene E-Auto laden kann.

Wie funktioniert Photovoltaik? Aufbau und Funktion von Solaranlagen

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Photovoltaik ist einer der größten Energie-Trends unserer Zeit. Das Prinzip ist simpel: Sonnenlicht ist überall auf der Welt verfügbar, es ist kostenlos, emissionsfrei – und lässt sich mittels moderner Technologien effektiv in elektrische Energie umwandeln. Photovoltaik spielt schon jetzt eine entscheidende Rolle in der Energiewende und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. 

In diesem Beitrag schauen wir uns an, wie Photovoltaik funktioniert, wie Solarmodule und Photovoltaikanlagen aufgebaut sind und welche Potenziale die Technologie bietet.  
 

Wie entsteht aus Sonnenlicht nachhaltiger Strom?

Der Begriff Photovoltaik beschreibt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dass diese Umwandlung möglich ist, entdeckte der Physiker Alexandre Edmond Becquerel schon 1839, als er erstmals den photoelektrischen Effekt nachwies.

Alle modernen Photovoltaikanlagen, die heute für die Stromgewinnung in Privathäusern, Gewerbebetrieben und in Solarparks im Einsatz sind, basieren auf dem photoelektrischen Effekt.
 

Damit das photovoltaische Prinzip funktioniert, braucht es einen festen Verbundstoff – bei einer Solaranlage sind das die Halbleiterschichten aus Silizium – und eine Photonenquelle, also Sonnenlicht. Trifft das Sonnenlicht auf den Festkörper, geben die Photonen ihre Energie an ihn ab. Das bringt die Elektronen im Festkörper in Bewegung, sodass elektrische Spannung entsteht. 

Welche Komponenten sind wichtig für eine Photovoltaikanlage? 

Die Solarzelle ist die Grundlage für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Moderne Solarzellen bestehen aus zwei Silizium-Halbleiter-Schichten, die durch eine Übergangsschicht voneinander getrennt sind.

Die obere Halbleiterschicht ist negativ geladen (n-dotiert), die untere positiv (p-dotiert). Treffen nun Photonen aus der Sonnenstrahlung auf die Halbleiterschicht, lösen sich die Elektronen aus dem Halbleiter und beginnen sich zu bewegen: Die negativ geladenen Elektronen wandern zur Oberseite der n-dotierten Schicht. An ihrer Stelle bleiben positiv geladene Löcher zurück, die sich zur Unterseite der p-dotierten Schicht bewegen. 
 

Der Aufbau einer Solarzelle aus Silizium mit verschiedener Schichtung von n-dotiertem Silizium und p-dotiertem Silizium und Metallkontakten. Durch Sonneneinstrahlung entsteht dann Strom.

Durch die Bewegung entsteht in der Übergangsschicht zwischen den zwei Halbleitern eine elektrische Spannung, die über Metallschichten abgeleitet und von einem Wechselrichter in Haushaltsstrom umgewandelt wird.

Damit Sie den selbst erzeugten Solarstrom im Haushalt oder zum Laden Ihres E-Autos nutzen können, braucht es allerdings eine vollständige Photovoltaikanlage, die aus mehreren, aufeinander abgestimmten Komponenten besteht.

Die Grafik zeigt ein Haus mit allen wichtigen Komponenten für Photovoltaik. Man sieht sehr gut den Prozess vom Solar-Panel bis hin zum Stromspeicher, einer Cloud-Lösung und einer Wallbox, mit der man das eigene E-Auto laden kann.

Solarmodule erzeugen elektrische Energie aus Sonnenlicht

Die Solaranlage auf dem Dach besteht aus einer Reihe von Solarmodulen , die sich wiederum jeweils aus einer bestimmten Anzahl von Solarzellen zusammensetzen. Die Solarmodule oder auch Solarpanels sind in verschiedenen Größen und Qualitäten erhältlich.

Sie werden fest auf dem Dach montiert und über Steckverbindungen aneinandergeschlossen. Über diese Verbindungen wird der erzeugte Solarstrom ins Haus und zum Wechselrichter geleitet.
 

Ein Solarpanel vor weißem Hintergrund. Gut zu erkennen ist die Struktur der einzelnen Zellen des Moduls.

Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um

Solarmodule erzeugen grundsätzlich Gleichstrom (DC). Die Steckdosen im Haushalt geben allerdings Wechselstrom (AC) aus – das heißt, alle elektrischen Geräte mit Stecker laufen mit Wechselstrom. Der Solarstrom vom Dach muss also von Gleichstrom auf Wechselstrom umgewandelt werden, bevor Sie ihn im Haushalt nutzen können. Diese Aufgabe erledigt ein Wechselrichter, der zusammen mit der Solaranlage im Haus installiert wird. 
 

Der Wechselrichter sitzt in Ihrer PV-Anlage zwischen der Solaranlage und dem Verteilerkasten. Meist wird er im Keller oder im Hauswirtschaftsraum an der Wand montiert. Wechselrichter produzieren Abwärme, daher sollten sie mit ausreichend Platz zu anderen Geräten installiert werden. 

Mit einem Stromspeicher wird der Solarstrom flexibel verfügbar

Mit Solarmodulen und Wechselrichter haben Sie bereits eine funktionierende Solaranlage – zumindest, solange die Sonne scheint. Abends oder an Regentagen sind Sie weiterhin auf Strom aus dem öffentlichen Netz angewiesen.

Aus diesem Grund ist ein Stromspeicher eine sinnvolle Ergänzung zur Solaranlage. Photovoltaik-Stromspeicher sind im Grunde große Batterieeinheiten, in denen überschüssiger Solarstrom gespeichert wird.

So ist der Strom, den Sie nicht unmittelbar im Haushalt benötigen, auch zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar. Mit einem Stromspeicher  steigt also Ihr Eigenverbrauchsanteil, d. h. Sie können mehr günstigen Solarstrom selbst nutzen, anstatt ihn gegen eine minimale Vergütung ins Netz einzuspeisen.
 

Ein dezenter und sehr formschöner Stromspeicher vor einer dekorativen Holzwand.

Wie wird sich Photovoltaik in Zukunft entwickeln?

Photovoltaik hat sich vom Öko-Trend zu einem elementaren Bestandteil der Energiewende entwickelt. Kaum eine andere Energiequelle ist so flächendeckend verfügbar und so leicht nutzbar wie die Sonne. Für die Zukunft der Photovoltaik sind daher zwei große Ziele entscheidend: 

Ziel 1: Ausbau der Solarenergie:

Auch wenn die Anzahl an Solaranlagen in Deutschland in den letzten zehn Jahren massiv gestiegen ist, stammt bisher weniger als 10 Prozent des deutschen Stroms aus Photovoltaikanlagen. Gesetzesnovellen wie das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2021 und die Solarpflicht für Gewerbe- oder Privatgebäude in einigen Bundesländern sollen den Ausbau der Solaranlagen weiter vorantreiben. Gleichzeitig bieten Förderprogramme finanzielle Anreize für Solaranlagen, Stromspeicher und E-Ladestationen. 

Die Grafik zeigt, dass zwischen 2002 und 2021 der Anteil der Photovoltaik in Deutschland stetig steigt, aber trotzdem noch unterhalb der 10-Prozent-Grenze liegt.

Ziel 2: Technische Innovation 

Bestehende Technologien werden ständig weiterentwickelt, um einerseits Solarenergie noch effizienter zu nutzen und andererseits neue Nutzungspotenziale zu erschließen. Unter anderem wird daran gearbeitet, den Wirkungsgrad der Solarmodule zu steigern und Speichertechnologien weiter zu optimieren

Photovoltaik als Basis ganzheitlicher Energiekonzepte

Viele Haushalte und auch Gewerbebetriebe streben eine autarke Versorgung mit Solarstrom an. Vollständig realisierbar ist dies noch nicht– aber dank technischer Innovationen rückt das Ziel in greifbare Nähe. Schon heute gibt es Rundum-Energielösungen, die alle Bereiche der Energieversorgung auf Solarstrom ausrichten. 

Durch eine Cloud-Lösung wird überschüssiger Solarstrom als virtuelles Guthaben gespeichert und steht das ganze Jahr über für den Eigenverbrauch zur Verfügung. So können Sie neben dem Haushaltsverbrauch zum Beispiel auch Ihr E-Auto über die hauseigene Ladestation mit Solarstrom laden und Ihre Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben
 

Ein modernes Haus mit Solaranlage auf dem Dach, einem Carport mit einem E-Auto und einer Ladestation plus Strom-Cloud zum Tanken unterwegs.

Mehr Flächen für Photovoltaik 

Für den künftigen Ausbau der Photovoltaik braucht es nicht nur technische Innovationen (wie Solardachziegel oder Solarzäune), sondern vor allem Platz. Daher wird auch daran gearbeitet, neue Flächen für den Einsatz von Photovoltaik zu finden. Ein Ansatz ist die Solarpflicht für Neubauten, die es in einigen Bundesländern bereits gibt.

Andere Möglichkeiten, die im Test oder schon im Einsatz sind:

  • Solarparks, die auf Weideland oder Brachflächen errichtet werden, die sogenannte Agrophotovoltaik
     
  • „Floating PV“ – das sind Solarmodule, die auf Wasserflächen schwimmen
     
  • Straßenbeläge aus Solarmodulen  
     
  • Innovative Konzepte wie Solarautos , die sich über Solarpaneele auf dem Dach fortlaufend selbst mit Strom „beladen“
     

Fazit: Das Potenzial der Photovoltaik ist noch lange nicht ausgeschöpft

Seit den ersten privaten Solaranlagen in den 1980er-Jahren hat sich die Photovoltaik stetig entwickelt – und diese Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Mit Blick auf Nachhaltigkeit und auf schwankende Energiekosten ist eine Photovoltaikanlage mit Stromspeicher heute sinnvoller denn je.

Eins ist klar: Durch das bestechend einfache Funktionsprinzip der Photovoltaik, die Sonne als kostenfreier Energielieferanten und die technischen Innovationen wird die Bedeutung von Solarenergie auch in Zukunft wachsen.
 

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