Photovoltaik – Energiegewinnung für die Zukunft

Photovoltaik ist der Sammelbegriff für die Technik der direkten Stromerzeugung aus Licht. Die umweglose Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie gehört in den Bereich alternativer, regenerierbarer Energiequellen mit den höchsten Wachstumsraten und ist ein Teil der Halbleitertechnologie.

Führende Länder, sowohl bei der Technik als auch der Nutzung der Photovoltaik, sind die USA und Deutschland. Als Produzent von Bauelementen der Photovoltaik spielt neuerdings auch China eine große Rolle.

Entdeckung des Effekts zur Mitte des 19. Jahrhunderts

Der französische Physiker Alexandre Becquerel entdeckte bereits 1839 den photoelektrischen Effekt, aber erst Albert Einstein konnte ihn 1905 erklären, wofür er den Nobelpreis erhielt. Nach vielen Detailforschungen gelang es den Amerikanern Chapin, Fuller und Pearson 1954 die ersten Photozellen aus Silizium mit nennenswerten Wirkungsgraden herzustellen. Mit dem Einsatz am Forschungssatelliten Vanguard 1 erreichte 1958 die Photovoltaik den Einzug in die Raumfahrt. In den Jahren darauf folgten die Verbesserung des Wirkungsgrades und die fortschreitende Verwendung in technischen Anlagen.
Das wichtigste Material bei der Herstellung von Solarzellen ist mit Abstand Silizium. Es steht auf der Erde schier unerschöpflich als Quarz (Siliziumoxid) zu Verfügung, kann aber nur in reiner Form für die Photovoltaik verwendet werden. Reinheitsgrad und Kristallstruktur der Strom erzeugenden Schicht auf dem Trägermaterial bestimmen den Wirkungsgrad aber auch den Kostenfaktor. Man unterscheidet Solarzellen aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem (dünnschichtigem) Silizium, bei gleichzeitig sinkendem Preis und Wirkungsgrad von rund 20 Prozent auf rund 10 Prozent im technischen Einsatz.
Neben der Siliziumtechnik kommt in der Photovoltaik bei einem Anteil von derzeit etwa 5 Prozent auch Material aus der organischen Chemie zum Einsatz. Bei der organischen Photovoltaik stehen der geringeren Haltbarkeit und dem niedrigeren Wirkungsgrad eine kostengünstigere Herstellung und eine flexiblere Verwendbarkeit gegenüber.
Die Photovoltaik liefert grundsätzlich Gleichstrom gleich bleibend niedriger Spannung mit Stromstärken, die mit der Sonnenintensität schwanken. Mehrere Solarzellen (Wafer) werden entsprechend dem jeweiligen Einsatz in Modulen parallel oder in Reihe geschaltet, also strom- oder spannungsbetont.

Insellösungen ideal zur Versorgung

Bei so genannten Insellösungen ist die Photovoltaik ideal zur Versorgung von Spezialgeräten etwa im Verkehrsbereich, beim Camping, entlegenen Gebäuden etc. insbesondere mit 12 Volt Gleichstromanschluss. Schwankungen des Sonnenlichtes können durch gängige Batterien gepuffert werden. Aufwändiger ist der Einsatz der Photovoltaik bei der Einspeisung des Stromes in das 230 Volt Wechselstromnetz, da hier neben der größeren Modulzahl auch ein Einspeisegerät mit Wechselrichter nötig ist.
Wegen ihrer günstigen statistischen Berechenbarkeit ist die Photovoltaik ein guter Mittellastträger der Energiewirtschaft. Überkapazitäten werden durch Spitzenlastkraftwerke gespeichert. Der Gesamtanteil an der Stromerzeugung ist in Deutschland bereits auf rund 1 Prozent gestiegen. Bis 2020 wird ein Anteil von 7 Prozent prognostiziert.

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