Seit die blau glitzernden Scheiben von vielen Hausdächern grüßen und immer öfter auch ganze Felder von Solaranlagen bedeckt sind, kann man fast sagen, dass die Photovoltaik im Massenmarkt angekommen ist. Doch selbst wenn die Module auf die Entfernung alle gleich aussehen: Solarzelle ist nicht gleich Solarzelle.
Die Sonne liefert uns global gesehen in jedem Augenblick mehr Energie, als wir Menschen überhaupt verbrauchen können. Zumindest theoretisch. Denn leider ist die über den gesamten Spektralbereich verteilte elektromagnetische Strahlung nur begrenzt direkt nutzbar. Wir brauchen tags im Freien kein Kunstlicht. Wärme liefert uns die Sonne nur begrenzt und oft nicht dort, wo wir sie brauchen, elektrischen Strom oder chemische Brennstoffe liefert sie überhaupt nicht.
Unsere moderne Zivilisation braucht aber vor allem Elektrizität. Sie ist leicht zu verteilen und mit hohem Wirkungsgrad wieder in Licht, Wärme und Bewegung umzuwandeln. Ganz zu schweigen davon, dass unsere IT-Infrastruktur von ihr abhängt. Der Gedanke, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln, ist also verlockend.
Einsteins Erbe – wie aus Licht Strom wird
Und es geht, wenngleich nicht so einfach wie gewünscht: Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Verwendet werden hierzu unterschiedliche Typen von Solarzellen, die den so genannten photoelektrischen Effekt nutzen. Gänzlich neu ist die Technik nicht. Bereits im Jahre 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel, dass aus Licht Strom entstehen kann.
1876 wiesen William Adams und Richard Day diesen Effekt bei einem Selenkristall nach und 1905 gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt quantenmechanisch richtig zu erklären. Für diese Entdeckung, und nicht für seine Relativitätstheorie, erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik – eine wahrhaft weitsichtige Entscheidung des schwedischen Komitees.
1954 gelang es Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen für Photovoltaik zu produzieren. Die Wirkungsgrade waren im Grunde bescheiden, sie lagen bei rund vier Prozent, eine der Zellen erreichte immerhin einen Wirkungsgrad von sechs Prozent.
Allerdings ist die Sonneneinstrahlung so stark, dass dennoch nutzbare Leistungen erreicht werden konnten. Und so fand die neue Technologie den Weg in den Weltraum. Als erster Satellit mit Solarzellen startete Vanguard 1 am 17. März 1958 in die Erdumlaufbahn. Die Nachfrage aus der Raumfahrt führte in den folgenden Jahren zu deutlichen Fortschritten in der Entwicklung von Photovoltaikzellen.
In den 1970ern und -80ern kamen Solarzellen bei Digitaluhren und Taschenrechnern in Mode und machten die Energiequelle einer breiten Bevölkerung bekannt. Heute ist Photovoltaik so allgegenwärtig, dass sie oft gar nicht mehr auffällt. Wir finden sie auf Parkscheinautomaten, an Schallschutzwänden, als Handyladegerät, auf vielen Hausdächern und immer öfter auch in Form großer Solarkraftwerke auf Freiflächen. Dort sind sie aufgrund ihrer auffälligen Optik bei Landschaftsliebhabern umstritten – ein Schicksal, das sie mit Windenergieanlagen teilen.
Für den Techniker bleibt die Frage: Was kann Photovoltaik leisten, welche Typen von Zellen gibt es und welche ist für welchen Einsatzbereich geeignet.
Wie Solarstrom entsteht
Der photovoltaische Effekt basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt: Die Leitfähigkeit eines halbleitenden Festkörpers nimmt bei Beleuchtung zu. Hat man nun in Halbleiterkristallen Übergänge zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Dotierung (p/n-Übergang), so findet an diesem Übergang bei Lichteinwirkung eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden.
Als Halbleitermaterial kommt heute vor allem das auch in der Computerbranche eingesetzte Silizium zum Einsatz. Silizium wird immer wieder als häufigstes Element in der Erdkruste genannt. Aber leider findet sich Silizium nicht in einer Form, die für industrielle Herstellung von Solarzellen geeignet wäre, sondern kommt vor allem in Verbindung mit Sauerstoff als Quarzsand vor.
Bei hohen Temperaturen (1460 °C) und unter Zugabe von Kohlenstoff wird dem Siliziumdioxid der Sauerstoff entzogen und reines Silizium gewonnen. Dieses wird für mono- und polykristalline Zellen später wieder eingeschmolzen und zu Kristallen gezogen.
Dieser augenscheinlich hohe Energiebedarf bei der Herstellung hat oft zu der Frage geführt, ob Photovoltaik denn überhaupt mehr Energie erzeugen kann, als zu ihrer Herstellung nötig war. Ohne auf Details einzugehen: Ja, sie kann es. Hinzu kommt, dass für Solarzellen (je nach Typ) auch Abfälle aus der Computer-Halbleiterproduktion verwendet werden können, was die Bilanz nochmals verbessert. Außerdem: Silizium altert nicht.
Kristalline Zellen sind daher auch nach über 30 Jahren, wenn die Anlage verrottet, wiederverwertbar. Wenn Rahmen, Schutzglas und Elektrik erneuert werden, kann es weitergehen. Dünnschichtzellen hingegen brauchen zwar wenig Silizium, sind aber schwer zu recyclen, weil die aufgedampfte Schicht vom Glas nicht gut zu trennen ist.
Zelltypen und Wirkungsgrade
Bei den Solarzellen unterscheidet man derzeit vier Haupttypen: Zellen aus monokristallinem Silizium, Zellen aus polykristallinem Silizium, Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium und organische Solarzellen. Letztere sind immer noch in der Erprobungsphase und liegen immer noch unter acht Prozent Wirkungsgrad. Sie bestehen wie viele Kunststoffe aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen, könnten künftig preiswert hergestellt werden und bieten dann möglicherweise all die Vorteile von Kunststoffen: geringes Gewicht, Flexibilität und Formbarkeit.
Den höchsten Wirkungsgrad bieten heute mit 14 bis 24 Prozent die monokristallinen Zellen. Leider ist ihre Herstellung vergleichsweise teuer: Aus flüssigem, hochreinem Silizium werden einkristallige Stangen gezogen, aus denen dann die Zellen geschnitten werden. Die Verwendung von Recycling-Silizium ist hierbei nicht ohne Weiteres möglich.
Bei polykristallinen Zellen wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen. Bei der Erstarrung entstehen viele Kristalle, die nach dem Sägen das charakteristische Zackenmuster ergeben. Die Risse zwischen den einzelnen Kristallen belasten den Wirkungsgrad, allerdings kann weniger reines Silizium verwendet werden und der Gussvorgang ist schneller als das Ziehen von Einkristallen. Die Zellen sind billiger in der Herstellung, haben aber nur Wirkungsgrade von 13 bis 18 Prozent.
Solarzellen aus amorphem Silizium haben keine Kristallstruktur. Bei ihnen wird eine dünne Schicht Silizium auf ein kostengünstiges Trägermaterial, meist Glas, aufgedampft. Daher nennt man sie auch Dünnschichtzellen. Der Kostenvorteil ist so groß, dass man schlechte Wirkungsgrade von 5 bis 13 Prozent in Kauf nimmt.
Und der Wirkungsgrad ist auch nicht automatisch immer schlechter als der der kristallinen Zellen: Bei diffusem Licht oder ungünstiger Ausrichtung zur Sonne sinkt ihr Wirkungsgrad nicht so schnell, sodass hier Dünnschichtzellen oft einen ähnliche Energieausbeute haben wie monokristalline Zellen. Deshalb werden amorphe Dünnschichtzellen auch gerne an Gebäudefassaden montiert, da hier immer ein ungünstiger Einstrahlungswinkel vorliegt.
Intelligent eingesetzte Effizienz
Die Wirkungsgrade klingen gering. Aber selbst Kohlekraftwerke liegen im globalen Schnitt nur bei etwa 30 Prozent, Kernkraftwerke bei 35 Prozent. Besser ist da vor allem die Wasserkraft mit bis zu 90 Prozent Wirkungsgrad. In ähnliche Regionen stößt nur noch die Solarthermie vor, die allerdings direkte Sonneneinstrahlung und somit klaren Himmel benötigt. Mit Photovoltaik geht auch unter Wolken noch was.
Überhaupt ist die Frage nach dem Wirkungsgrad bei Sonnenenergie differenziert zu sehen. Da im Gegensatz zu anderen Energiequellen wie Kohle oder Kernkraft die Ausgangsenergie „Sonne“ nichts kostet, ist der Wirkungsgrad eigentlich egal. 30 oder 40 Prozent Strom aus einer Tonne Kohle macht einen deutlichen Unterschied. Aber 13 oder 24 Prozent Wirkungsgrad aus einer Stunde Sonne kosten dasselbe. Ein möglichst hoher Zellenwirkungsgrad ist im Grunde nur dann entscheidend, wenn die Fläche begrenzt ist oder die Masse der Zelle möglichst klein sein muss, etwa bei Zellen für die Raumfahrt.
Natürlich, der Wirkungsgrad von Solarzellen wirkt sich auf die Investitionskosten aus. Für ein 1-MW-Kraftwerk braucht man bei ineffizienteren Zellen eine größere Fläche. Und auch die Bilanz aus für die Herstellung benötigter und erbrachter Energie bessert sich mit steigendem Wirkungsgrad. Am Ende kommt es aber darauf an, die auf den jeweiligen Einsatzzweck zugeschnittene Solarzelle auszuwählen. Wie ist die regionale Strahlungsintensität, wieviele Sonnentage bietet der Standort? Wird das Modul der Sonne nachgeführt oder an einer Südwestfassade 90° zur Erdoberfläche montiert? Hat man das riesige Dach einer Lagerhalle oder nur das kleine eines Elektroautos?
Ausblick
Der Photovoltaikmarkt ist in den vergangenen Jahren sehr stark gewachsen. Das lag zu einem guten Teil auch an der staatlichen Förderung, an garantierten Einspeisevergütungen. In Zeiten knapper Staatskassen stehen diese Gelder nun zur Disposition, eine Absenkung der Solarstromvergütung zum 1. Juli 2010 um bis zu 16 Prozent ist erst der Anfang. Zwar mosern nun die einschlägigen Solarverbände, allen voran der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar).
Am langfristigen Erfolg der Photovoltaik zweifeln Experten indes nicht, selbst am Standort Deutschland. Auf der Photovoltaic Technology Show in Stuttgart erklärte Frans van den Heuvel vom Modulproduzenten Scheuten Solar, dass dank moderner Automatisierung auch in Deutschland eine erfolgreiche Modulherstellung möglich sei. Holger Krawinkel von der Verbraucherzentrale-Bundesverband (VZBV) forderte gar eine Förderkürzung um 30 Prozent.
Die deutschen Anlagenbauer können als exportorientierte Unternehmen die Diskussion um Fördergelder in Deutschland ohnehin gelassen verfolgen. Sie gelten derzeit als weltweit führend und machen ihre Hauptumsätze in Asien. Welche Solarzellen sie in ihren Anlagen verbauen ist allerdings weiterhin relevant.
Denn gerade im Halbleitermarkt bleibt die technische Entwicklung nicht stehen. Die Wirkungsgrade aller Zellentypen sind in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Die Entwicklung von organischen, also Kunststoff-Solarzellen, schreitet weiter voran. Sie sind biegsam und dünn wie eine Klarsichthülle sowie leicht und variabel im Farbton.
Und auch bei den Siliziumzellen gibt es vielversprechende Ansätze für eine technische Weiterentwicklung: Da nicht alles Licht an den Zellen absorbiert wird, sondern ein Teil auch reflektiert wird – weshalb die Module in der Sonne glänzen – wird auch an schwarzem Silizium geforscht. Es könnte den Wirkungsgrad gegenüber normalen Zellen um mehr als 30 Prozent steigern, existiert aber bislang nur im Labormaßstab.
Ein anderer Weg ist die Nutzung von Konzentratorzellen. Da der Wirkungsgrad mit höherer Lichteinstrahlung steigt, bündeln diese Zelltypen das Licht über Linsen, meist Fresnel-Linsen, auf eine kleine Fläche. Der Siliziumbedarf sinkt, der Wirkungsgrad steigt – im Labor auf über 40 Prozent. Allerdings brauchen diese Zellen direkte und winkelrichtige Sonneneinstrahlung, was eine Nachführung der Paneele unabdingbar macht. Da aber die entsprechende Steuerungs- und Antriebstechnik auch immer preiswerter wird, könnte sich der Aufwand lohnen.
Performance Ratio und Systemwirkungsgrad
Systemwirkungsgrad nennt man den Wirkungsgrad des gesamten Solarsystems einschließlich der Verluste durch die Umwandlung im Wechselrichter, die Länge der Stromleitungen, Verschattungen und weiterer Störfaktoren.
Die Performance Ratio einer Photovoltaikanlage ist der Quotient aus dem Wechselstromertrag und dem nominalen Ertrag an Generatorgleichstrom. Sie gibt an, welcher Anteil des vom Generator erzeugten Stroms real zur Verfügung steht. Leistungsfähige PV-Anlagen erreichen eine Performance Ratio von über 70 Prozent.