Definition: Photovoltaik

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie, also Sonnenenergie, in elektrische Energie mittels Solarzellen. Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, also Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie wandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt. Der photovoltaische Effekt basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Dieser beschreibt ein physikalisches Phänomen, welches die Umwandlung von Lichtenergie in elektronische Energie ermöglicht. Dieser Effekt wurde von Albert Einstein zum ersten Mal physikalisch beschrieben.

Funktionsweise – Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie:

Ansicht einer Silizium-Solarzelle

Diese Beschreibung orientiert sich an der heute für die Photovoltaik fast ausschliesslich eingesetzten Silizium-Solarzelle.

Das Photon aus dem Sonnenlicht trifft auf die Siliziumplatte, wo sich am p-n-Übergang (siehe Bild) ein elektrisches Feld aufbaut. Der p-n Übergang bezeichnet eine Positiv- beziehungsweise eine Negativschicht. Diese weist unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf. Dieses elektrische Feld übt auf die in die Zelle eindringenden Photonen eine Sogwirkung aus. Es entstehen freie Ladungsträger. Das heisst, es resultieren Elektronen und Löcher in der Schicht. Die Elektronen werden durch die so entstandene Sogwirkung an die Unterseite der Zelle getrieben. Die entstandenen Löcher ziehen weitere Photonen an.

Diese werden erneut an die Unterseite der Zelle gesogen. Die so entstehende elektrische Energie wird für die Nutzung in einen äusseren Stromkreis geleitet. Pro Zelle entsteht eine nutzbare Spannung von 0.5 bis 0.6 Volt. Durch Serienschaltung, Serienanordnung mehrerer Zellen nebeneinander, kann die Spannung auf beliebige Werte erhöht werden.

IST-SOLL-Zustand der Solartechnologie

IST-Zustand

Die weltweite Energieversorgung beruht heute vor allem auf nicht erneuerbaren Ressourcen. Das bedeutet, auf der Verbrennung fossiler Energieträger – wie Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl. Die dadurch verursachten Kohlendioxidemissionen beschleunigen den Klimawandel rasant.

Erneuerbare Energiegewinnungsformen, wie die Photovoltaik, werden zurzeit noch zu wenig gefördert. Das Potenzial der Solartechnologien ist nicht ausgeschöpft. Diese birgt jedoch ein grosses Potenzial und könnte langfristig dazu beitragen, die globalen Klima- und Energieprobleme zu lösen. In der Produktion von Solarpanels ist der Skaleneffekt – Senkung der Preise durch grosse Produktionsmengen – noch nicht voll ausgeschöpft..

SOLL-Zustand

Die Solartechnologie ist konkurrenzfähig im Vergleich mit anderen Technologien und nicht erneuerbaren Energieerzeugungsmethoden. Dies wird durch die Steigerung der Bedeutung von Solarenergie erreicht. Bei zunehmender Nachfrage von Solarpanels und daraus resultierenden sinkenden Preisen wird der Skalierungseffekt erreicht. Auch die Technologie kann somit laufend verbessert werden.

Zusätzlich soll die Realisation von Referenzprojekten dazu beitragen, die Konkurrenzfähigkeit der Solartechnologie voranzutreiben.