Wie funktioniert Solarenergie? Kurz und knapp erläutert

Rund um die Energiewende steht Solarenergie immer wieder im Fokus. Die Umwandlung von Sonnenlicht und -wärme gilt als umweltfreundlich und nachhaltig, vor allem im Vergleich zu fossilen Energieträgern. Doch wie genau funktioniert die Technologie und was gibt es dabei zu beachten?

Was ist Solarenergie?

Solarenergie bezeichnet die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dieses Prinzip wurde erstmals 1839 von dem Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt, als er den photovoltaischen Effekt beobachtete. Heute spielt Solarenergie eine zentrale Rolle im Bereich der erneuerbaren Energien. Sie bietet zahlreiche Vorteile wie die Reduktion von CO2-Emissionen und die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Die Sonne strahlt Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab, die hauptsächlich im Bereich des sichtbaren Lichts, des ultravioletten Lichts und der Infrarotstrahlung liegen. Diese Strahlung überträgt Energie von der Sonne zur Erde und ist die primäre Quelle für Solarenergie.

• Photovoltaik (PV): In der Photovoltaik werden spezielle Materialien (meistens Silizium) verwendet, um diese elektromagnetischen Wellen in elektrische Energie umzuwandeln. Wenn die Photonen (die „Lichtteilchen“ der elektromagnetischen Wellen) auf die Solarzellen treffen, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen im Material der Solarzelle, was zur Erzeugung eines elektrischen Stroms führt.
• Solarthermie: Bei der Solarthermie werden elektromagnetische Wellen genutzt, um Materialien (wie Wasser) direkt zu erwärmen. Die Infrarotstrahlung, die Teil der Sonnenstrahlung ist, trägt die meiste Wärmeenergie. Sie wird in Solarthermieanlagen verwendet, um Wasser zu erhitzen, das dann für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung verwendet wird.

Solarzellen im Überblick

Grundlage für PV-Solaranlagen sind die Solarzellen. Jene wandeln direkte Sonneneinstrahlung in elektrische Energie um und nutzen dafür den photovoltaischen Effekt. Dabei wird Sonnenlicht auf eine Schicht aus reinem Silizium (oder anderen Halbleitermaterialien) geleitet, wodurch Elektronen angeregt werden und ein elektrisches Feld entsteht.

Eine typische Solarzelle besteht aus zwei dünnen Schichten eines Halbleitermaterials, meistens Silizium. Diese Schichten sind unterschiedlich dotiert:

• n-Schicht: Diese Schicht ist mit einem Material (z.B. Phosphor) dotiert, das zusätzliche Elektronen hinzufügt, wodurch sie negativ geladen ist.
• p-Schicht: Diese Schicht ist mit einem Material (z.B. Bor) dotiert, das Elektronen „entfernt“ und damit Löcher hinterlässt, die positiv geladen sind.
• Elektrisches Feld: An der Grenzschicht (zwischen der n- und der p-Schicht) entsteht ein elektrisches Feld, das die Bewegung der Elektronen steuert.

Wie die Solarzelle Strom erzeugt – der photovoltaische Effekt

1. Absorption von Licht: Wenn Sonnenlicht (das aus Photonen besteht) auf die Oberfläche der Solarzelle trifft, absorbieren die Elektronen im Halbleitermaterial die Photonen.
2. Freisetzung von Elektronen: Die Energie der absorbierten Photonen ist oft ausreichend, um die Elektronen aus ihren Atombindungen zu befreien. Diese Elektronen können sich dann frei im Material bewegen.
3. Elektronenfluss erzeugen: Durch die Kombination der p-Schicht und der n-Schicht entsteht ein elektrisches Feld an der Grenzfläche der beiden Schichten (pn-Übergang). Dieses elektrische Feld wirkt wie eine Diode, die es den Elektronen erlaubt, nur in eine Richtung zu fließen, nämlich von der n-Schicht zur p-Schicht.
4. Erzeugung von elektrischem Strom: Wenn die freigesetzten Elektronen beginnen, durch das Material zu fließen, entsteht ein Strom. Dieser Strom kann durch angeschlossene elektrische Leiter als nutzbarer Gleichstrom (DC) abgeführt werden.
5. Schließen des Stromkreises: Der Stromkreis schließt sich, indem die Elektronen durch einen externen Stromkreis (z.B. durch einen Verbraucher wie eine Lampe) fließen und schließlich wieder zur Solarzelle zurückkehren.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Monokristalline Solarzellen

Diese Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und zeichnen sich durch ihren hohen Wirkungsgrad und ihre lange Lebensdauer aus. Sie sind jedoch teurer in der Herstellung.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, was sie günstiger, aber auch weniger effizient als monokristalline Solarzellen macht.

Dünnschichtsolarzellen

Diese Solarzellen bestehen aus dünnen Schichten von Halbleitermaterialien wie amorphem Silizium, Cadmiumtellurid oder CIGS. Sie sind flexibel und kostengünstig, haben jedoch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen verwenden organische Materialien zur Umwandlung von Licht in Strom. Sie sind leicht und flexibel, befinden sich aber noch in der Entwicklungsphase und bieten derzeit einen geringeren Wirkungsgrad als anorganische Solarzellen.

Aufbau von PV-Anlagen

Eine PV-Anlage besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten:

• Solarmodule: Bestehend aus mehreren Solarzellen, wandeln sie Sonnenlicht in elektrische Energie um.
• Wechselrichter: Wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der im Haushalt genutzt werden kann.
• Batteriespeicher: Ermöglichen die Speicherung überschüssigen Solarstroms für eine spätere Nutzung.

Zahlreiche Unternehmen haben sich in den vergangenen Jahren am Markt etabliert und liefern diese Bauteile. Die Firmen arbeiten sowohl an technologischen Fortschritten als auch an der Steigerung der Kapazität und der Senkung von Kosten. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über einige der wichtigsten Hersteller.

Führende Hersteller von Solarmodulen

• First Solar (USA): Bekannt für ihre Dünnschicht-Solarmodule.
• SunPower (USA): Bekannt für hocheffiziente monokristalline Solarmodule.
• JinkoSolar (China): Laut eigenen Angaben der größte Hersteller von Solarmodulen weltweit.
• Canadian Solar (China/Kanada): Ein bedeutender globaler Player im Solarmarkt.
• Trina Solar (China): Sorgt mit qualitativ hochwertigen und effizienten Modulen für Aufsehen.
• LONGi Solar (China): Führend in der Produktion von monokristallinen Siliziumwafern und Solarmodulen.
• Q CELLS (Südkorea): Bekannter Hersteller von hochleistungsfähigen Solarmodulen.

Wechselrichter – führende Hersteller

• SMA Solar Technology (Deutschland): Einer der weltweit führenden Hersteller von Wechselrichtern.
• Huawei (China): Marktführer im Bereich Wechselrichter, besonders bekannt für ihre Lösungen für große Solaranlagen.
• Sungrow (China): Ein großer Anbieter von Wechselrichtern für unterschiedliche Anwendungen.
• Fronius (Österreich): Bekannt für ihre zuverlässigen und effizienten Wechselrichter.
• Enphase Energy (USA): Bekannt für ihre Mikro-Wechselrichtertechnologie.
• ABB (Schweiz/Schweden): Ein bedeutender Anbieter von Lösungen für Solarwechselrichter.

Führende Hersteller von Batteriespeichern

• Tesla (USA): Vor allem für Powerwall und Powerpack Batteriesysteme bekannt.
• LG Chem (Südkorea): Ein führender Hersteller von Batteriespeichern für Solaranlagen.
• Samsung SDI (Südkorea): Anbieter von fortschrittlichen Batteriespeicherlösungen.
• BYD (China): Einer der weltweit größten Hersteller von Batterien und Batteriespeichersystemen.
• Panasonic (Japan): Ein bedeutender Player im Bereich der Batterieproduktion, auch Partner von Tesla.
• Sonnen (Deutschland): Bekannt für ihre innovativen und effizienten Heimspeicherlösungen.
• Enphase Energy (USA): Neben Wechselrichtern auch im Bereich Batteriespeicher aktiv.