Als „Photovoltaik“ wird das Umwandeln von Lichtenergie in elektrischen Strom bezeichnet. Die Photovoltaik basiert dabei auf dem photovoltaischen Effekt, bei dem in bestimmten Halbleitern durch den Einfluss von Photonen eine Elektronenwanderung zwischen zwei Polen stattfindet. Mithilfe von Solarzellen wird der photovoltaische Effekt genutzt, um Strom für den menschlichen Bedarf zu produzieren. Alles Wichtige zum Prinzip der Photovoltaik erfahren Sie auf Türkiye Elektrik.
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Entdeckung des photovoltaischen Prinzips
Der Begriff „Photovoltaik“ (auch „Fotovoltaik“) bezeichnet die Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom mithilfe von Solarzellen. Dafür wird in einer Halbleiter-Solarzelle durch einfallendes Licht eine elektrische Spannung erzeugt, die die Solaranlage als Strom nutzbar macht. Die Nutzung der Sonnenenergie mit Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik, zu der unter anderem auch die Solarthermie, also die Nutzung der Sonnenwärme, gehört.
Der photovoltaische Effekt wurde erstmals 1839 vom französischen Physiker Alexandre Becquerel entdeckt, der bei seinen Experimenten mit elektrolytischen Zellen erkannte, dass bestimmte Materialien bei Lichteinwirkung einen veränderten Stromfluss aufweisen. 1876 gelang der Nachweis eines solchen Einflusses des Lichts auf das Element Selen, aus dem schon 1883 die erste Solarzelle gefertigt worden war. Doch es dauerte noch bis zum Jahr 1905, bis Albert Einstein mit seiner Theorie der Lichtquanten den photovoltaischen Effekt erklären konnte.
Eine im Jahr 1955 gefertigte Solarzelle erreichte erstmalig einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Mit diesem Meilenstein begann die Zeit der technischen Anwendung der Photovoltaik. Von 1958 bis 1964 versorgten Solarzellen den Satelliten Vanguard 1 mit Strom. Seit der Ölkrise und den ersten nuklearen Unfällen in den 1980er Jahren wird an der Nutzung der Photovoltaik zur Stromproduktion gearbeitet.
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage
Heute kommen bei der Nutzung von Photovoltaik zur Stromerzeugung in den meisten Fällen siliziumbasierte Solarzellen zum Einsatz. Jede einzelne dieser Zellen besteht aus zwei Schichten, zwischen denen durch die Energie des auf sie treffenden Lichts ein elektrischer Strom erzeugt wird, indem freie Elektronen hin- und herwandern. In der oberen Schicht wird durch das Einbringen von Atomen eines Elektronenspenders (z. B. Phosphor) ein Elektronenüberschuss erzeugt, die Schicht ist also positiv dotiert. In der unteren Schicht wird derweil durch das Dotieren mit Atomen eines Elektronenakzeptors (z. B. Bor) ein Elektronenmangel erzeugt. Im Normalfall wandern die Elektronen der oberen Schicht zum Zwischenraum und verbinden sich dort mit den Fehlstellen der unteren Schicht: es entsteht ein elektrisches Feld.
Fällt Sonnenlicht in Form von Photonen auf die Solarzelle, so übertragen diese ihre Energie an die Elektronen und lösen sie so aus ihrem lockeren Verbund mit den Fehlstellen heraus. Die meisten Elektronen und Fehlstellen verbinden sich schnell wieder miteinander, doch einige driften zurück in ihre ursprüngliche Schicht, wodurch eine elektrische Spannung zwischen den Schichten entsteht. Wandern die Elektronen entlang des äußeren Stromkreises zurück zum Zwischenraum, um sich erneut mit den Fehlstellen zu verbinden, entlädt sich diese Spannung als elektrischer Strom.
In einer Solaranlage sind viele solcher Solarzellen miteinander zu einem sogenannten Solarmodul verbunden. Zu diesen kommen zusätzliche Bauteile, wie die Verkabelung der Anlage, ein Wechselrichter zum Umwandeln des produzierten Gleichstroms in verwertbaren Wechselstrom und die Stromleitung. Manchmal kommt auch noch eine Solarthermieanlage zum Nutzen der Sonnenwärme sowie ein Stromspeicher hinzu.
Wirtschaftlichkeit und Aussichten
Seit ihrem ersten technischen Einsatz in den 1950er Jahren ist das Potenzial der Photovoltaik rasant gestiegen. Mittlerweile weisen die effizientesten Solarzellen aus modernen Materialien einen Wirkungsgrad von 30 Prozent in der Praxisanwendung auf. Weltweit werden bereits heute etwa 500 Gigawatt Solarstrom erzeugt, Schätzungen zufolge könnte sich diese Menge bis zum Jahr 2050 auf bis zu 70.000 Gigawatt steigern, was einer Deckung von 50 Prozent des errechneten Strombedarfs entsprechen würde. Gleichzeitig sind die Kosten für Solarstrom allein zwischen 2011 und 2017 um fast 75 Prozent gefallen.
Vor- und Nachteile der Photovoltaik
Der große Vorteil der Photovoltaik ist die Nutzung eines kostenfreien Energieträgers, was komplett ohne die Erzeugung von Treibhausgasen oder anderen Abfallstoffen erfolgt. Zwar unterliegt die Verfügbarkeit von Sonnenlicht tages- und jahreszeitlichen Schwankungen und Solaranlagen arbeiten auch nicht immer gleich effizient. Doch vor allem in Kombination mit Windenergie, die dann besonders effizient genutzt werden kann, wenn Solaranlagen am wenigsten effizient arbeiten, kann die Photovoltaik einen Großteil des Strombedarfs decken. Da Photovoltaikanlagen außerdem meist auf Dächern errichtet werden, geht kaum zusätzliche Fläche durch sie verloren. Vor allem Anlagen im Privatbesitz, die in erster Linie den Strombedarf des Eigentümers decken sollen, können einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Denn der von ihnen ins Netz eingespeiste Strom steht verlässlicher zur Verfügung als der eines einzigen großen Kraftwerks, das plötzlich komplett ausfallen kann. Bei vielen kleinen Anlagen ist ein vollständiger Ausfall praktisch ausgeschlossen.
Der Nachteil der Photovoltaik liegt in der aufwendigen Produktion ihrer Solarzellen. Bei der Herstellung von hochreinem Silizium, das für etwa 90 Prozent der weltweit eingesetzten Solaranlagen verwendet wird, fallen pro Kilogramm Silizium etwa 19 Kilogramm Abfallstoffe an. Bei der Herstellung der alternativen Dünnschichtsolarzellen müssen klimaschädliche Stoffe zu Reinigungszwecken eingesetzt werden. In ganz Europa gibt es zudem erst eine einzige Recycling-Anlage für Solarzellen, wobei der Recycling-Anteil in den kommenden Jahren steigen soll.
Alle Zeichen stehen auf Solarenergie und damit auf Photovoltaik
Die Nutzung der Photovoltaik entwächst so langsam den Kinderschuhen. Sie hat ein enormes Potenzial, denn die Energie der Sonne ist größer als der Strombedarf der Menschheit. Wird die Nutzung der „Sonnenenergie“ weiter ausgebaut, dann kann sie bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts eine wichtige Säule der Energiewende werden. Schon heute produziert sie gemeinsam mit Wind- und Wasserkraft fast 40 Prozent des in Deutschland verbrauchten Stroms. Wenn auch Sie Ihre persönliche Energiewende weiter vorantreiben wollen, dann wechseln Sie noch heute mit Hilfe von Türkiye Elektrik zu Ökostrom und nutzen Sie Strom, der zu 100 % aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wurde! Ein wachsender Anteil davon wird bereits mit Photovoltaik und Solarmodulen erzeugt.
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