Photovoltaik wird von der Sonne angestrahlt
Wie man Sonnenpower auf Hausdächern einfängt

Weißer Sand am kilometerlangen Strand, Holz und Kohle für ein gemütliches Feuer, Phosphor als Unterstützung zur Photosynthese in Pflanzen und Bor im Waschmittel für die schmutzige Wäsche; so unterschiedlich die Materialien und ihr Einsatzort auch sind, sie finden sich alle in der Produktion von Solarzellen wieder – den Modulen für die Stromgewinnung aus der Sonne.

Das Innenleben von Sonnenkollektoren besteht aus sogenannten Wafern (engl.:Waffel). Ihren Namen verdanken sie ihrem Aussehen. Die Oberfläche dieser hauchdünnen Scheiben sieht aus, wie die Struktur einer Waffel, nur dass sie nicht zum Anbeißen sind, sondern Licht aufnehmen und weiterleiten.

Hauptbestandteil dieser Wafer ist Silizium, welches aus Sand gewonnen wird. Sand ist eigentlich eine chemische Verbindung aus Silizium und Sauerstoff. Den Sauerstoff zu entfernen ist gar nicht so einfach, da bedarf es Raffinesse und vor allem Hitze.

Sand wird Feuer unterm Hintern gemacht

Um Sand so richtig ein zu heizen, wird Holzkohle, Kohle, Holz und Sand gemischt und in einem Ofen bei einer Temperatur von ca. 1700 Grad zum Schmelzen gebracht. Man spricht hier von Reduktion; der Sauerstoff verbrennt und übrig bleibt flüssiges Silizium, welches durch Erkalten zu einem sprödem Metall wird. Dieses Silizium ist für einen Wafer jedoch nicht rein genug, also wird es gemahlen und mit gasförmigem Chlorwasserstoff erhitzt. Beide Stoffe gehen eine chemische Verbindung ein und landen als durchsichtige Flüssigkeit (Fachbegriff: Trichlorsilan ) im Tiegel.

Diese Flüssigkeit ist einzig und allein zu dem Zweck da, um sie besser reinigen zu können. Verunreinigung lassen sich hier effektiv heraus destillieren. Nach diesem Prozess wird die Flüssigkeit wieder in einem Ofen erhitzt. Hier setzt sich an den glühenden Stäben reines Silizium ab. Die Reinheit beträgt unglaubliche 99,99% und ist für die Wafer in den Sonnenkollektoren ausreichend. Würde das Silizium zur Chipherstellung gebraucht werden, müsste es sogar noch weiter gereinigt werden.

KURZ & KNAPP
  • Sand ist eine chemische Verbindung aus Silizium und Sauerstoff
  • Silizium ist ein Hauptbestandteil von Solarzellen
  • Silizium entsteht durch Herausbrennen des Sauerstoffes aus dem Sand

In der Chemieküche brodelt es

Jetzt, wo das Silizium so hochgradig rein ist, muss es ein besonderes Vergnügen für jeden Chemiker sein, dieses wieder gezielt zu verunreinigen. Denn genau dies wird gemacht und zwar wird dem Silizium Bor zugefügt, das Gemisch wird stark erhitzt, um es dann in einer Quaderform wieder abzukühlen.

Der unhandliche Block wird in kleinere Würfel zersägt, welche in einer speziellen Maschine in hauchdünne Scheiben geschnitten werden. Diese Scheiben haben nun ihre Waffelstruktur und dürfen sich ab sofort Wafer nennen. Wieder einmal wandern sie in den Ofen, um auf einer Seite eine hauchdünne Schicht Phosphor einzuschmelzen. Zu guter Letzt wird noch eine blaue Antireflektionsschicht aufgetragen, damit die Sonnenstrahlen nicht zurückgeworfen werden. Schließlich soll die Stromausbeute hoch sein, also muss viel Sonne rein und möglichst keine raus.

So dünn der Wafer auch ist, seine innere Struktur ist genial. Um dies zu erkennen, ist ein sehr starkes Mikroskop nötig. Unter der blauen Antireflektionsschicht befinden sich nochmals zwei säuberlich voneinander getrennte Schichten. Die eine Schicht ist mit Phosphor durchsetzt, sie besitzt viele Elektronen und ist negativ. In der anderen Schicht, welche mit Bor angereichert ist, befinden sich weniger Elektronen, sie ist positiv.

KURZ & KNAPP
  • eine Solarzelle (Wafer) besteht aus einer positiven und einer negativen Seite
  • die positive ist mit Bor und die negative mit Phosphor angereichert
  • auf das Silizium wird eine dünne Antireflektionsschicht aufgetragen, damit Sonnenstrahlen nicht zurückgeworfen werden

Elektronen gehen über Grenzen

Zwischen diesen Schichten befindet sich eine Grenzschicht, sie wird auch p-n-Übergang (positiv/negativ-Übergang) genannt. Diese Grenzschicht kann man sich tatsächlich wie eine Grenze zu einer anderen Gegend vorstellen. Am Grenzposten gibt es eine Schranke, welche Reisende hindurch lässt. In unserem Fall sind es Elektronen, die den Übergang passieren.

Vereinfacht gesagt, müssen die Elektronen in den Wafern angeschubst werden, um sich auf die Reise zu machen. Diesen Schubs übernehmen die Sonnenstrahlen. Sofort sind die Elektronen in Aktion.

Bewegung allein reicht jedoch nicht, um Strom zu erzeugen, sondern es muss etwas von A nach B fließen, in diesem Fall die Elektronen. Um diesen Effekt zu erreichen, werden auf der Oberseite der Solarzelle ganz viele kleine Drähte aufgedampft, sie heißen Gritt (engl. Gitter). Verbunden sind sie mit Anschlussdrähten, welche die Elektronen zu einem Verbraucher senden. Von dort werden sie wieder über einen zweiten Pool, der sich auf der Rückseite der Zelle befindet zurück in die Solarzelle geschickt. So werden die Elektronen nie aufgebraucht und die Solarzelle könnte theoretisch rund um die Uhr unter Volllast arbeiten. Wenn da nicht die Sonne wäre, die sich manchmal hinter Wolken zurückzieht und in der Nacht überhaupt nicht zu sehen ist.

KURZ & KNAPP
  • zwischen den Schichten befindet sich ein p-n (positiv/negativ)-Übergang
  • Elektronen brauchen die Sonnenstrahlen, um sich in Bewegung zu setzen
  • zur Stromerzeugung wird an die Solarzelle ein Kabel angeschlossen, welches die Elektronen über einen Verbraucher wieder zurück in die Anlage schickt

Solarzellen werden eins

So eine einzelne Solarzelle ist auch nicht wirklich effektiv, sie reicht wenn überhaupt gerade mal, um eine Parkuhr am Leben zu erhalten. Um effizient Strom zu produzieren, werden aus vielen einzelnen Solarzellen Module hergestellt. Dazu wird auf eine große Glasplatte eine Folie aufgelegt, darauf kommen die Solarzellen, sie werden nun miteinander verlötet. Danach wird wieder eine Folie aufgelegt, das ganze kommt in eine Art Backofen, wo es fest verschweißt wird, sodass keine Feuchtigkeit mehr eindringen kann. Das Solarmodul ist nun fast fertig, es fehlt nur noch der Rahmen.

Die einzelnen Module können nun zu einer Solaranlage zusammengesetzt werden. Jedes Modul ist untereinander verkabelt, jedoch geht nur ein Kabel ins Haus, um den Strom zu liefern. Damit der Strom genutzt werden kann, muss im Haus ein Wechselrichter montiert sein, der den ankommenden Gleichstrom in den handelsüblichen Wechselstrom umwandelt.

KURZ & KNAPP
  • einzelne Solarzellen bringen nicht viel Strom, daher werden viele einzelne Zellen zu großen Modulen zusammengesetzt
  • die Module werden durch Glas, Folien und festem Verschweißen vor Umwelteinflüssen geschützt
  • Solarstrom ist Gleichstrom und wird im Haus mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt

Stromkosten effektiv senken

Elektronen brauchen Sonne, um Strom zu liefern, je mehr, umso besser. Tatsächlich benötigt wird allerdings das Licht und nicht die Wärme. Wer schwitzend auf seinem Liegestuhl liegt und sich darüber freut, dass seine Solaranlage nun besonders effektiv arbeitet, wird enttäuscht sein, wenn er sich die Werte näher ansieht.

Solarzellen finden Temperaturen um 20 Grad toll und liefern eine gute Stromausbeute. Wird es jedoch um die 60 Grad heiß, bringen sie ca. 20 % weniger Leistung, da warme Solarzellen bei gleicher Strommenge mit einem Spannungsabfall zu kämpfen haben. Weil sich dies in der Gesamtstrommenge und damit im Geldbeutel bemerkbar macht, werden hochwertige Solaranlagen mit einer guten Hinterlüftung gebaut, um die Wärme zu reduzieren.

Die Sonne ist so hell, das ihre Strahlen selbst durch Wolken, Nebel und Regen nicht aufgehalten werden können. Da das Licht nicht zu sehen ist, nehmen wir das Licht nur indirekt war. Den Solarzellen reicht aber dieses diffuse Licht, um Strom zu produzieren. Sie arbeiten dann nur weniger effektiv. Regen bremst die Arbeit allerdings massiv aus, da er den ganzen Feinstaub, der bei Wärme in die Atmosphäre wirbelt, wieder aus dieser heraus schwemmt. Sonnenstrahlen werden nun vor Erreichen der Solaranlage vielfach durch diese hohe Partikelkonzentration in der Atmosphäre reflektiert.

Ein direkter Vergleich zwischen einer arbeitenden Solarzelle bei Sonnenschein und klarem Himmel und einer Zelle, die mit Wolken, Nebel oder Regen zu kämpfen hat, macht dies deutlich. Bei Sonnenschein können Solarmodule eine Ausbeute von ca. 600 bis 1000 Watt pro Quadratmeter erreichen, bei Nebel, starker Bewölkung und Regen sind es zwischen 100 und 300 Watt. Da im Winter die Sonneneinstrahlung wesentlich flacher ist, muss hier die Leistung nochmals nach unten korrigiert werden.

KURZ & KNAPP
  • die höchste Effektivität erreichen Solarzellen im Sommer bei Sonnenschein und klarem Himmel
  • große Hitze schraubt bei Solarzellen den Wirkungsgrad herunter
  • Solarzellen arbeiten auch bei Wolken, Nebel und Regen; Ökostrom Photovotaik

Solarzellen lieben Perfektion

Ein Solarmodul ist eine eigensinnige Spezies, die nur unter fest abgesteckten Parametern perfekt arbeitet.So bevorzugt es ein südlich ausgerichtetes Dach und eine Dachneigung um die 30 Grad. Werden Solarmodule durch eine Schneeschicht abgedeckt, schalten sie auf stur und frieren ihre Tätigkeit sprichwörtlich ein. Auch Laub, Staub und sämtliche anderen Unreinheiten tragen zum Unmut bei, sodass die Module nur mit reduzierter Kraft arbeiten.

Gerne setzt sich Staub am Rand der Module ab und führt so zu einem Wirkungsgradverlust der Module, da durch die Reihenschaltung das schwächste Modul den Ton, bzw. die Leistung angibt.

Schnee ist Segen und Fluch zugleich, verhindert er zum einen eine Stromproduktion, sorgt nasser Schnee zum anderen für eine gute Reinigung der Module, da er meist im einen Rutsch abgeht und so die Schmutzpartikel direkt mitnimmt.

Soloarzelle
Solorzellen - Produktion
auf höchstem Niveu

Da Solarzellen Sauberkeit lieben und so am effektivsten arbeiten, sollte die Dachneigung mindestens über 20 Grad liegen. Sobald es regnet, sorgt dieser wieder für glänzende Module. Selbst Blütenstaub wird flächendeckend runter gewaschen. Ein echt dreckiges Problem stellt eigentlich nur Vogelkot da, er ist hartnäckig und hinterlässt selbst nach einem zünftigem Regenguss manchmal noch seine Spuren.

Wer sich zu einer Reinigung seiner Solaranlage entschließt, sollte einige Sicherheitsvorkehrungen einhalten. Die Anlage sollte abgeschaltet sein, man sollte sich gut absichern, bevor man auf dem Dach arbeitet und es sollten nur normale Haushaltsreiniger benutzt werden. Der Hochdruckreiniger sollte ebenfalls nicht zum Einsatz kommen, da sind die Solarzellen zu empfindlich. Am besten nimmt man Regenwasser, da es nach dem Abtrocknen von Leitungswasser zu Kalkablagerungen kommt, welche wiederum zu einem Leistungsverlust führen. Bei sehr starken Verschmutzungen und bei schlecht zu erreichenden Solaranlagen sollte zur Reinigung eine Fachfirma hinzugezogen werden. Sie benutzt speziell entkalktes Wasser, um Kalkränder zu vermeiden. Ist die Photovotaik-Anlage wieder in Bestform, steht der Produktion von Photovotaik-Ökostrom nichts mehr im Wege.

KURZ & KNAPP
  • Unreinheiten wie Laub, Staub und Vogelkot verursachen einen Wirkungsgradverlust
  • bei einer Dachneigung ab 20 Grad kommt es durch Regen und Schnee zu einem guten Selbstreinigungseffekt
  • beim Reinigen von Solarmodulen Regenwasser benutzen

Solarzellen gehen neue Wege

Solarzellen eignen sich nicht nur für Gebäude, sondern finden sich auf Kühlsattelaufliegern, Kühlwaggons, oder Kühlschränken wieder. Und wer in einsamer Wildnis Probleme hat, eine Steckdose für sein Handy zu finden, der zieht einfach eine Solarjacke an, welche in der Lage ist, sein Handy mit dem nötigen Strom zu versorgen. Solarjacken gibt es auch für Hunde; eine pfiffige Idee ist es, seinen Vierbeiner das Handy aufladen zu lassen.

Solarmodule sind keine Leichtgewichte, sie bringen ganz schön Masse auf die Waage. Damit sind die Einsatzmöglichkeiten recht begrenzt, da immer darauf geachtet werden muss, dass der Unterbau der Module überaus tragfähig ist. Der Gewichtsproblematik versuchen die Wissenschaftler auf die Schliche zu kommen, indem mit wasser- und sonnenfesten Folien experimentiert wird. Könnten diese Folien auf nur einer Seite der Module anstelle von Glas genutzt werden, würde dies eine Gewichtsersparnis von ca. 40% bringen.

Solarzellen haben im Durchschnitt einen Wirkungsgrad bis ca. 24%. Alleine schon die erfinderische Neugier eines Wissenschaftlers ist hier Antrieb genug, um intensive Forschungen zu betreiben mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Firma  Alta-Devices aus Santa Clara hat Solarzellen entwickelt, die 28,2 Prozent bringen. Zum Einsatz kommt unter anderem Galliumarsenid, so sollen die Eigenschaften der Zellen verbessert werden.

Fast zu schön um wahr zu sein, ist der forscherische Ansatz von Wissenschaftlern der University of Missoury. Nano-Antennen bestehend aus mikroskopisch kleinen rechteckigen Spiralen aus Gold-Nanodraht sollen so effektiv arbeiten, dass eine Ausbeute von sagenhaften 90 % angestrebt wird. Laut Aussage der Forscher rechnen sie in den nächsten fünf Jahren mit adäquaten Ergebnissen.

 
FAZIT
 
 
KURZ & KNAPP
  • Solarzellen haben derzeit einen Wirkungsgrad bis ca. 24%
  • durch neuartige Erfindungen sollen Solarmodule leichter und somit flexibler einsetzbar werden
  • Wissenschaftler arbeiten mit Hochdruck daran den Wirkungsgrad effizient zu erhöhen

Die Sonne hat Power in ihrer reinsten Form welche unendlich zur Verfügung steht. Die Nutzung für den Menschen ist vielfältig, so wird nicht nur die Sonnenwärme sondern auch das Sonnenlicht erforscht, um Energie zu erzeugen.  Zusätzlich freut sich der eigene Geldbeutel  über Sonnenstrom, da überschüssiger Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist und vom jeweiligen Energieversorgungsunternehmen vergütet wird.

Photovoltaik gilt als sehr umweltfreundlich. Ein kleiner Wermutstropfen ist das Cadmium, welches sich oftmals in Dünnschichtmodulen befindet. Cadmium gehört definitiv nicht in den Hausmüll. Daher ist es wichtig, sich auch mit der richtigen Entsorgung der Module auseinandersetzen. Werden neue Module benötigt, nimmt die beauftragte Firma die alten häufig zurück und entsorgt sie korrekt.

Handelt es sich um einzelne Module, die zum Beispiel nach einem Hagelschaden ausgetauscht wurden, sollte man sich mit den örtlichen Abfallunternehmen in Verbindung setzen, welche die passenden Adressen zur Entsorgung bereit halten.

In der Forschung ist zum Thema Sonnenenergie das letzte Wort noch lange nicht gesprochen – mit Hochdruck wird an immer neuen Wirkungsgrad-Weltrekorden gearbeitet, um die einzelnen Module effizienter arbeiten zu lassen. Der Mensch ist auf gesunde Energie angewiesen, wenn er den einmaligen Planeten Erde noch lange nutzen möchte, daher dürfen wir auf weitere Forschungserfolge gespannt sein.