Funktion und Komponenten einer Solarstromanlage

Das Prinzip einer Photovoltaikanlage beruht auf der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie innerhalb einer Solarzelle. Mehrere Solarzellen zusammengefasst bilden ein Solarmodul, die zusammengeschalteten Module den PV-Generator.
Die Module werden entweder in Reihe oder parallel geschaltet. In der der Photovoltaikanlage, wird Gleichstrom erzeugt.

Für eine Netzeinspeisung oder Eigennutzung jedoch, wird Wechselstrom benötigt.
Desshalb ist ein weiteres, zentrales Element einer PV-Anlage notwendig, der Wechselrichter.
Dieser wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom.

Solarzellen und Module

Solarzellen lassen sich generell in drei Gruppen einteilen. Die kristallinen Siliziumzellen sind die am längsten erprobte Technologie und dominieren den Markt. Die Dünnschichtzellen, für sie wird eine starke Entwicklung bei einem mittelfristigen Marktanteil erwartet. Die so genannten nanostrukturierten Solarzellen sind derzeit erst in der Markteinführung und noch nicht ausreichend erprobt.

Kristalline Silizium-Technologie

Der Rohstoff für die Herstellung kristalliner Siliziumzellen ist das Silizium, das in hoch reiner Form und mit hoher Kristallqualität vorliegen muss. Die Silizium-Vorkommen sind zwar nahezu unbegrenzt, jedoch liegt der Rohstoff immer als chemische Verbindung mit Sauerstoff in Form von Quarz oder Sand vor.

Um den photovoltaischen Effekt zu erreichen, werden gezielt Verunreinigungen (so genannte Dotieratome) in das Silizium eingebracht. Diese Dotieratome haben jeweils ein Elektron mehr bzw. weniger in ihrer Elektronenschale als Silizium. So entstehen Störstellen in dem festen Kristallgitter. Bei der Dotierung mit Phosphor beispielsweise entsteht pro Phosphor-Atom ein überschüssiges Elektron, so wird eine negative Dotierung (n-Dotierung) des Siliziums erreicht. Bei der Dotierung mit Bor dagegen entsteht pro Bor-Atom ein Loch, wodurch eine positive Dotierung (p-Dotierung) erreicht wird. Dieses Loch kann durch benachbarte Elektronen der Silizium-Atome aufgefüllt werden. Durch eine Wiederholung dieses Effekts kann das Loch „wandern“. Es entsteht eine so genannte „Störstellenleitung“, die jedoch ebenfalls noch keine bestimmte Richtung des Stroms ermöglicht.

Durch die Verbindung von unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten entsteht ein „Übergang“, in dem Elektronen aus der einen Schicht zur anderen Schicht wandern. Es entsteht ein elektrisches Feld. Bei Einfluss von Licht werden Photonen von den Elektronen im Silizium absorbiert. So entsteht eine elektrische Spannung, und bei Schließung des Stromkreises fließt ein gerichteter Strom.

Um diesen photovoltaischen Effekt zu nutzen, werden kristalline Silizium-Solarzellen mit zwei unterschiedlich dotierten Silizium-Schichten ausgestattet: die dem
Sonnenlicht zugewandte Schicht und die darunter liegende Schicht. An der Grenzschicht entsteht ein elektrisches Feld. Zur Entnahme des Stroms werden metallische Kontakte auf der Vorder- und der Rückseite der Zelle angebracht. Während die positive Elektrode auf der Rückseite als ganzflächige Kontaktschicht aufgebracht werden kann, muss die negative Elektrode auf der Vorderseite lichtdurchlässig sein und wird deshalb in Form einer dünnen Gitter- oder Baumstruktur aufgetragen.

Je nach der Verarbeitungsweise des Siliziums lassen sich monokristalline und polykristalline Siliziumzellen unterscheiden. Bei monokristallinen Zellen wird das Silizium geschmolzen und ein einziger großer Kristall (bis zu 30 cm Durchmesser, mehrere Meter Länge) hergestellt. Dieser wird zu einer Stange von bestimmter Form (quadratisch,
semiquadratisch, rund) „abgetrennt“ und dann in ca. 0,3 mm dicke Scheiben, so genannte Wafer, gesägt. Diese Dicke ist aus mechanischen Gründen erforderlich. Beim Abtrennen und Sägen gehen ca. 40 % des Siliziums verloren und müssen wieder eingeschmolzen werden, weshalb der Material- und Energieaufwand im Produktionsprozesses verhältnismäßig
hoch ist. Nach einer nasschemischen Reinigung werden die Rohwafer zunächst positiv dotiert und dann nur die Oberseite mit Phosphorgas negativ dotiert.

Für die Herstellung von polykristallinen Zellen wird das Silizium geschmolzen, positiv dotiert und in eine Quader-Form gegossen. Durch kontrolliertes Aufheizen und Abkühlen erkaltet der Gussblock (Ingot) gleichmäßig in einer Richtung. Bei diesem gerichteten Erstarren bilden sich viele möglichst große und homogene Siliziumkristalle mit Korngrößen von wenigen Millimetern bis Zentimetern. Die Ingots werden zunächst in Stangen und dann in ca. 0,2 mm dicke Wafer geschnitten. Nach der Reinigung wird schließlich die Oberseite negativ mit dotiert.

Bei den polykristallinen Zellen geht der Trend zum Einsatz von größeren Zellen, um eine Kostenrelevanz zu erreichen. Allerdings sind noch nicht alle Modulhersteller auf die Verwendung der größeren Zellen eingerichtet.

Die einzelnen Solarzellen werden aufgrund ihrer relativ geringen Einzelleistung zu so genannten Strings in Reihe geschaltet. Dazu werden die negativen Frontseitenkontakte einer Zelle mit den positiven Rückseitenkontakten der nächsten Zelle verlötet.

Jeweils mehrere Strings werden nebeneinander in ein transparentes Verbundmaterial eingebettet, um sie gegen mechanische Witterungseinflüsse und mechanische Beanspruchung
zu schützen und elektrisch zu isolieren. Zur statischen Stabilisierung wird dieses Verbundsystem auf ein Trägermaterial aufgebracht: zumeist auf Glas, es wird aber auch Acrylglas, Metall oder Kunststofffolie verwendet. Die Solarzellen sitzen je nach Verfahren auf, hinter oder zwischen dem Trägermaterial. Durch diese Verbindung mehrerer Strings entsteht ein Solarmodul.

Bei mittleren und großen Freiflächen- oder Aufdachanlagen werden vorwiegend Standardmodule eingesetzt. Die Standardisierung hat zum Ziel, möglichst geringe Kosten bei einer maximalen Energieausbeute pro Quadratmeter zu erreichen. Ein typisches Standardmodul aus kristallinen Solarzellen besteht aus 36 bis 216 Zellen und hat eine
Leistung von 100 bis 300 W/p. Die Zellen werden zumeist in 4 bis 8 Reihen nebeneinander angeordnet, so dass sich ein rechteckiges Modul mit Abmessungen von z. B. 1,60 x 0,8 m
ergibt.

Dünnschicht-Technologie

Bei der Dünnschicht-Technologie kommen verschiedene Halbleiter zum Einsatz. Im Folgenden wird beispielhaft die Technologie amorpher Siliziumzellen beschrieben.
Beim amorphen Silizium liegt keine feste Kristallstruktur vor wie beim kristallinen Silizium, sondern die Atome bilden ein ungeordnetes Netzwerk. Deshalb gibt es offene Bindungen, an die sich Wasserstoff zur Absättigung anlagert. Hergestellt wird dieses so genannte hydrogenisierte amorphe Silizium durch chemische Gasphasenabscheidung. Der Prozess erfordert lediglich Temperaturen von 200 bis 250 °C, ist also wesentlich weniger energieaufwändig als die Produktion von kristallinem Solarsilizium im Vergleich.

Die Silizium-Schicht ist umgeben von Ieitfähigen Metalloxidschichten, die als elektrische Kontakte der Stromabnahme dienen. Auf der Rückseite muss diese Schicht nicht durchsichtig sein. Auf der vorderen (dem Licht zugewandten) Seite muss diese Schicht als Frontkontakt sowohl hochtransparent als auch leitfähig sein. Diese Funktion übernimmt eine spezielle, chemische Schicht. Diese stellt bei der Produktion von Dünnschichtzellen einen entscheidenden Kostenfaktor dar.

All diese Schichten werden nacheinander auf ein kostengünstiges Trägermaterial (zumeist Glas) aufgebracht. Auch die Kontakte sind somit zunächst als durchgehende Schicht vorhanden. Dünnschicht-Solarzellen sind nicht an bestimmte Größen gebunden.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Solarzellen und -modulen ist stark abhängig vom Zellentyp. Polykristalline Siliziumzellen etwa weisen heute Wirkungsgrade von bis zu 16,5 % auf. Die
höchsten Wirkungsgrade (bis zu 28 % und mehr) werden mit Konzentratorzellen (llI-V-Halbleiter) realisiert. Möglichst hohe Wirkungsgrade sind dann entscheidend, wenn die zur Verfügung stehende Fläche begrenzen der Faktor ist und möglichst viel Leistung pro Fläche installiert werden soll. Verluste entstehen zum Großteil dadurch, dass nur ein Teil des Lichtspektrums in der Solarzelle genutzt werden kann.
Die Wirkungsgrade der verschiedenen Solarzellentypen lassen sich untereinander abstufen. So haben unter den etablierten Zellen monokristalline Siliziumzellen derzeit mit
die höchsten Wirkungsgrade. Bei polykristallinen Siliziumzellen sind sie deshalb etwas geringer, weil die Korngrenzen Kristalldefekte darstellen.

Dünnschichtzellen haben derzeit noch wesentlich geringere Wirkungsgrade als kristalline Siliziumzellen. Die Energieausbeute kann trotzdem relativ hoch sein, denn:

  • die Ausnutzung von diffusem und schwachem Licht besser ist als bei kristallinen Zellen,
  • der Temperaturkoeffizient günstiger ist (die Leistungsabnahme bei höheren Betriebstemperaturen ist kleiner) und
  • sie aufgrund der langen Zellstruktur unempfindlicher gegen Abschattung sind.

Vorteile der Dünnschichttechnologie

Derzeit ist der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen noch grundsätzlich geringer als bei der waferbasierten Technologie. Dies gilt allerdings nur bei Idealbedingungen, die oft nicht vorliegen. So ist der spezifische Energieertrag pro installierter Leistung - und auf den kommt es letztlich an - in vielen Einbausituationen höher.

  • So nutzen Dünnschichtzellen das Lichtspektrum meist besser aus. Sie können diffuses Licht beispielsweise bei bewölktem Himmel weitbesser absorbieren als ihre kristallinen Konkurrenten.
  • Der Einfluss der Verschattung auf die Leistung ist geringer als bei kristallinen Modulen.
  • Die Leistung der meisten Dünnschichtzellen ist aufgrund der eingesetzten Halbleiter nicht so temperaturabhängig wie bei kristallinen Modulen.

Neben den höheren spezifischen Energieerträgen ist auch der günstigere Preis der Dünnschichtmodule ein genereller Vorteil die geringeren Herstellungskosten werden an den
Kunden weitergegeben.

Siliziumbasierte Dünnschichtzellen haben seit vielen Jahren den größten Marktanteil im Dünnschichtmarkt. Amorphes Silizium ist eine nicht-kristalline Form des Halbleiters Silizium und kann in besonders geringen Schichtdicken aufgedampft werden. Seit zirka zwei Jahren ist die weiterentwickelte Variante verfügbar.

Der Photovoltaikmarkt wird in den nächsten Jahren immer mehr auf verschiedene Technologien setzen.

Wechselrichter

Der Wechselrichter gilt als Schnittstelle zwischen dem PV Generator und dem öffentlichen Stromnetz bzw. dem Verbraucher. Bei einer direkten Verbindung in das öffentliche
Netz wird der Strom ausschließlich eingespeist. Bei einer Kopplung an einen Verbraucher wird zunächst dessen Bedarf gedeckt und lediglich die entstandenen Überschüsse werden eingespeist.

Der Generator erzeugt Gleichstrom, das Hausnetz und das öffentliche Netz sind jedoch auf Wechselstrom ausgelegt. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um und passt die Frequenz und Höhe der Spannung dem Hausnetz bzw. dem öffentlichen Netz an.

Der maximale Leistungspunkt eines PV-Generators schwankt je nach Einstrahlungsbedingungen mehr oder weniger stark. Um auf der Wechselstromseite die maximale Leistung zu erreichen, muss der Wechselrichter seinen Arbeitspunkt möglichst genau verschieben können und so der Linie des Generators möglichst genau anpassen.
Die Genauigkeit dieser Anpassung trägt sehr entscheidend zur Höhe der nutzbaren Stromausbeute bei. Je häufiger die Anpassungsintervalle sind, desto besser kann der erzeugte Gleichstrom genutzt werden. Man spricht hier vom Anpassungswirkungsgrad. Allerdings sind genauer arbeitende Geräte teurer, so dass der Preis mit dem geschätzten Stromertrag abgewogen werden muss. Zudem sollte auf die voraussichtliche Lebensdauer des Wechselrichters geachtet werden.

Weiterhin beschreibt man den Limwandlungs-Wirkungsgrad eines Wechselrichters anhand der Verluste, die bei der Umformung von Gleich- in Wechselstrom entstehen.

Auf den Datenblättern der Wechselrichter wird häufig nur der Umwandlungswirkungsgrad angegeben. Zudem wird dieser oft nur für die Nennleistung oder auch nur für einen
Teillastbereich dargestellt. Wesentlich aussagekräftiger sind jedoch Wirkungsgradkennlinien, die den Wirkungsgrad bei unterschiedlicher Belastung wiedergeben.

So liefert der totale Wirkungsgrad das Produkt von Umwandlungs- und Anpassungswirkungsgrad. Für eine europaweite Vergleichbarkeit wurde der so genannte Eurowirkungsgrad eingeführt.

Für eine optimale Gesamtleistung der Anlage sind sowohl die Abstimmung des Wechselrichters auf die Generatorleistung als auch die Verschaltung der Module
untereinander von zentraler Bedeutung.

Unterkonstruktion einer Photovoltaikanlage

Nach Modulen und Wechselrichtern ist als weitere Komponente eines solaren Kraftwerkes, die Art und Weise der Unterkonstruktion zu benennen. Hier unterscheidet man generell zunächst zwischen so genannten Aufdachanlagen und den Freilandanlagen.

Aufdachanlagen unterscheiden sich in ihrer Unterkonstruktion nach den Gegebenheiten des Gebäudes. Klassische Privathaus-Aufdachanlagen beinhalten eine genormte Unterkonstruktion mit einem Schienensystem, welches auf der Dachaußenhaut befestigt wird. Die Module werden in dieses Schienensystem eingeschraubt.

Bei einer integrierten Dachanlage“ bilden die Module die Außenhaut und sind plan in das Dach integriert. Sie ersetzen die sonst üblichen Dachziegel.

PV-Anlagen auf Industrie- und Großdächer sind meist auf Flachdächer ausgelegt. Mit einem speziellen Untergestell werden die Module in der richtigen Neigung zur Sonneneinstrahlung fixiert. Diese Untergestelle durchdringen heute kaum mehr die Außenhaut des Gebäudes und sind statisch extrem stabil. Die Module werden auf diese Unterkonstruktion durch eine Klemmverbindung aufgebracht.

Bei so genannten Freilandanlagen unterscheidet man zwischen festaufgeständerten und nachgeführten Photovoltaikanlagen. In den meisten Fällen findet man aus Kostengründen die Festanlagen vor. Dazu werden die Modultische auf dem Boden verankert. Dieses Gestell wird je nach Bodenbeschaffenheit gerammt, geschraubt oder zementiert. Verbunden werden diese Modultische mit Schienen zu einer langen Bahn, quer über das Grundstück und ausgelegt nach einen Modulbelegungsplan. Die Module werden anschließend auf den Schienen durch Klammern angebracht und verkabelt. Je nach Belegungsplan und der darin enthaltenen technischen Auslegung, geht die Schienenbreite über das gesamte Gelände und die Schienenhöhe beinhaltet zwei oder drei Module.

Unter nachgeführen Photovoltaikanlagen (Tracker-System) versteht man eine der Sonne nachgeführte Modulaufständerung. Jeder Tracker mit den darauf befindlichen Modulen, in unterschiedlicher Breite und Höhe, ist losgelöst vom Rest der Anlage und bewegt sich zentral gesteuert, eigenständig nach dem Stand der Sonne. Die zentrale Steuerung ist auf Jahreszeit und Sonnenstand programmiert und stellt die einzelnen Modultische in den optimalen Winkel zur Sonneneinstrahlung. Diese technisch aufwendigere Form einer Photovoltaikanlage erzielt üblicherweise eine etwas höhere Ausbeute durch diese Nachführung und damit optimale Ausbeute der Sonnenkraft. Allerdings sind diese Anlagen, auf Grund der verbauten Technik, auch wesentlich kostenintensiver. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung werden die Vorzüge durch die Mehrausbeute den Zusatzkosten gegenüber gestellt und so eine Rentabilität gegenüber dem Investment ermittelt.