Photovoltaikzelle

Eine Solarzelle absorbiert Licht in einem Halbleitermaterial, wobei der sogenannte "photoelektrische Effekt" auftritt, der erstmals 1887 beschrieben wurde. Dabei bewirkt die Energie des absorbierten Lichtteilchens (des Photons) eine Ladungstrennung zwischen Elektron und einer Leerstelle im Gitter des Halbleiters ("Loch").

Bei der Herstellung der Zelle werden durch chemische Maßnahmen Fremdatome ins Kristallgitter des Halbleiters eingebracht (Dotierung). Diese bewirken ein elektrisches Feld (Raumladungszone), das verantwortlich ist für die Auftrennung der Ladungsträger, die durch den photoelektrischen Effekt entstehen.

Zwischen den Kontakten, an denen sich Elektronen ansammeln, und jenen, an denen sich die Leerstellen (oder "Löcher") anreichern, liegt eine entsprechende Spannung an.

-absorbiert Licht
-liefert elektrische Leistung

Photovoltaikmodul

Die Solarzellen werden elektrisch verbunden und in ein Photovoltaikmodul eingebaut.

Der Aufbau eines Moduls unterscheidet sich stark nach der verwendeten Zelltechnologie. Es gibt aber allgemeine, notwendige Anforderungen an Solarmodule, die sich auch in Aufbau und Materialien der Modulverbauung vergegenständlicht finden.

Die Grundfunktion der Solarzellen muss soweit wie möglich auch durch den Modulaufbau unterstützt werden: Licht wird eingefangen, Strom wird abgegeben. Die der Lichtquelle zugewandten Seite(n) des Moduls müssen transparent gestaltet sein. Auch auf der der Zelle zugewandten Seite der Rückseite des Moduls können optische Maßnahmen wie Verspiegelung getroffen werden. Der optische Modulaufbau kann durch eine Vielzahl sonstiger Maßnahmen optimiert werden: Oberflächenbeschaffenheit durch Antireflexionsschichten, optische Gitter, Materialauswahl usw. Mit passender elektrischer Verschaltung wird eine effiziente und sichere Gewinnung der elektrischen Leistung aus den Solarzellen ermöglicht. Weiters ist der Schutz der Solarzellen vor atmosphärischen- und witterungsbedingten Einflüssen nötig. Mechanische Stabilität und Montagefreundlichkeit runden das Aufgabengebiet von Solarmodulen ab.

PV-Modul

- fasst die elektrische Leistung der Einzelzellen zusammen
- schützt die Zellen vor:

- Wasser / Wasserdampf
- Sauerstoff
- mechanischer Belastung / Überlastung
- witterungsbedingten Einflüssen

- bietet Einrichtungen zur mechanischen Befestigung
- erhält oder optimiert den Lichteinfall

Elektrische Einrichtungen

Verschiedene elektrische Einrichtungen sind mit der Nutzung von Photovoltaik verbunden, obwohl sie vom Generator (die Gesamtheit aller Solarzellen / Solarmodule) räumlich abgetrennt sind. In erster Linie ist hier der Wechselrichter zu nennen. Seine Hauptaufgabe ist es, den vom Generator gelieferten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom zu wandeln. Ebenso bedeutsam ist die Suche nach den optimalen Betriebsbedingungen des Generators, das heißt, die Suche nach jenem Strom-Spannungsverhältnis, das die beste Leistungsausbeute erzielt (maximum power point / MPP).

Der Wechselrichter stellt auch Informationen zum aktuellen Betriebszustand sowie zur bisher erzeugten Strommenge bereit, und ist damit ein wichtiges Instrument zur Funktionskontrolle. Zahlreiche Wechselrichter bieten die Option, diese Betriebsdaten online zu überwachen.

Der erzeugte Solarstrom wird an den Netzbetreiber verkauft und in das Stromnetz eingespeist. Für die (geeichte) Aufzeichnung eingespeisten Stroms ist ein Einspeisezähler vonnöten. Zu Zeiten geringer Solarstromausbeute (z. B. in der Nacht) kann auf diesem Weg auch Netzstrom bezogen werden.

Bei erfolgender Netzeinspeisung sind auch Vorrichtungen vonnöten, die bei Netzabschaltung seitens des Netzbetreibers das Einspeisen des Stromes unterbinden; dies dient dazu, dass beispielsweise für Wartungsarbeiten am Netz eine Netzabschaltung tatsächlich erfolgen kann, sodass nicht durch Einspeisung von Solarstrom (eventuell durch mehrere Solarstromerzeuger) eine Gefährdung des Wartungspersonals entsteht.

Blitzschutzeinrichtungen sind eine zusätzliche Notwendigkeit bei einer Photovoltaikanlage. Bereits vorhandene Blitzschutzeinrichtungen müssen gegebenenfalls adaptiert werden.

Aufgaben

- Bereitstellung des elektrischen Stroms in gewünschter Form
- Optimierung der Stromerzeugung
- Aufzeichnung und Analyse der erzeugten Strommenge
- Schutz vor Fehlfunktion und gegebenenfalls Benachrichtigung
- gegebenenfalls Anbindung an Versorgungsnetz
- gegebenenfalls Schutz des Versorgungsnetzes
- Blitzschlag