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19.02.23

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Wie Photovoltaikmodule funktionieren

Photovoltaikmodule sind eine wichtige Technologie zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen. Immer mehr Menschen und Unternehmen setzen auf diese Form der Energieerzeugung, um ihren CO2-Ausstoß zu reduzieren und unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu werden. Um jedoch das volle Potenzial der Photovoltaiktechnologie ausschöpfen zu können, ist es wichtig zu verstehen, wie Photovoltaikmodule funktionieren. In diesem Blogbeitrag werden wir uns deshalb genauer mit den Grundlagen der Photovoltaik und der Funktionsweise von Photovoltaikmodulen beschäftigen. Wir werden auch darauf eingehen, welche Faktoren die Leistungsfähigkeit von Photovoltaikmodulen beeinflussen und welche Anwendungen es für diese Technologie gibt. Letztendlich soll dieser Beitrag dazu beitragen, ein besseres Verständnis für die Photovoltaiktechnologie zu schaffen und aufzuzeigen, welche Vorteile sie für die Energieversorgung der Zukunft bieten kann.

Wie Photovoltaikzellen funktionieren und der photoelektrische Effekt

Photovoltaikzellen sind das Herzstück von Photovoltaikmodulen und ermöglichen es, aus Sonnenlicht elektrische Energie zu gewinnen. Das Prinzip beruht auf dem photoelektrischen Effekt, der besagt, dass Elektronen aus einem Material ausgelöst werden können, wenn es mit Licht bestrahlt wird

Photovoltaikzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, das aus einer Schicht positiv und einer Schicht negativ dotiertem Material besteht. Wenn Licht auf die Photovoltaikzelle trifft, werden Elektronen aus der negativ dotierten Schicht ausgelöst und wandern zur positiv dotierten Schicht. Dabei entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen daran hindert, wieder zurückzukehren.

Durch den Stromkreislauf, der durch das Anbringen von Kontaktelektroden auf beiden Seiten der Zelle entsteht, können die Elektronen als Stromfluss genutzt werden. Der erzeugte Gleichstrom kann entweder direkt genutzt, in Batterien gespeichert oder in Wechselstrom umgewandelt werden, um ihn ins Stromnetz einzuspeisen.

Der photoelektrische Effekt ist auch der Grund dafür, dass die Farbe und Intensität des Lichts, das auf die Photovoltaikzellen trifft, eine wichtige Rolle spielt. Je intensiver das Licht und je näher es an der optimalen Wellenlänge liegt, desto mehr Elektronen können ausgelöst werden und desto höher ist der erzeugte Strom.

Aufbau von Photovoltaikmodulen

Photovoltaikmodule bestehen aus mehreren Photovoltaikzellen, die in einem Modulrahmen verbunden sind. Die Module werden in der Regel auf einem Dach oder an einer Fassade montiert und bilden zusammen eine Photovoltaikanlage. Der Aufbau von Photovoltaikmodulen ist in der Regel sehr ähnlich, jedoch können die verwendeten Materialien und die Art der Photovoltaikzellen je nach Hersteller und Anwendungsbereich variieren.

Arten von Photovoltaikzellen

Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaikzellen, die sich in Bezug auf das verwendete Material und die Herstellungstechnologie unterscheiden. Die am häufigsten verwendeten Typen sind:
  • Kristalline Siliziumzellen: Dies sind die am weitesten verbreiteten Photovoltaikzellen. Sie werden aus kristallinem Silizium hergestellt und sind sehr langlebig und leistungsfähig.
  • Dünnschicht-Solarzellen: Diese Art von Solarzellen werden aus sehr dünnen Schichten von Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid oder amorphem Silizium hergestellt.

Materialien, aus denen Photovoltaikzellen hergestellt werden

Die meisten Photovoltaikzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das in der Natur sehr häufig vorkommt. Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde und wird häufig in der Elektronikindustrie eingesetzt. Für die Herstellung von Photovoltaikzellen wird hochreines Silizium verwendet, das in Form von monokristallinen, polykristallinen oder amorphem Silizium vorliegen kann.

Der Aufbau von Photovoltaikmodulen

Ein typisches Photovoltaikmodul besteht aus mehreren Solarzellen, die auf einer Trägerschicht aus Glas oder Kunststoff montiert sind. Die Solarzellen sind elektrisch miteinander verbunden und sind von einer Schutzschicht aus EVA (Ethylen-Vinylacetat) oder TPU (Thermoplastisches Polyurethan) umgeben. Auf der Rückseite des Moduls befindet sich eine weitere Schicht aus Kunststoff oder Aluminium, die als Rückseite und Unterstützung dient. Der Modulrahmen besteht in der Regel aus Aluminium und schützt das Modul vor Beschädigungen durch Witterungseinflüsse oder mechanische Belastungen.

Funktionsweise von Photovoltaikmodulen

Photovoltaikmodule wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Doch wie funktioniert das genau?

Wie Solarzellen Licht in Strom umwandeln

Die Grundlage für die Stromerzeugung in Photovoltaikmodulen bilden Solarzellen. Diese bestehen aus Halbleitermaterialien wie Silizium, die eine spezielle Struktur aufweisen. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, wird ein Teil der Photonen absorbiert und es entsteht ein Elektronen-Loch-Paar. Durch die spezielle Struktur der Solarzelle können die Elektronen und Löcher getrennt werden, wodurch eine elektrische Spannung entsteht.

Was passiert mit dem erzeugten Strom?

Der erzeugte Strom wird aus den Solarzellen zu einem Wechselrichter geleitet, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Der Wechselstrom wird dann ins Stromnetz eingespeist oder direkt vor Ort genutzt.

Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrom

Gleichstrom (DC) fließt immer in eine Richtung und wird in Photovoltaikmodulen erzeugt. Wechselstrom (AC) hingegen wechselt regelmäßig seine Richtung und wird in den meisten Haushalten und Unternehmen genutzt. Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der dann ins Stromnetz eingespeist oder direkt vor Ort genutzt werden kann.

Leistungsfähigkeit von Photovoltaikmodulen

Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen ist ein wichtiger Faktor, der die Leistungsfähigkeit der Module bestimmt. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel von der einfallenden Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Es gibt verschiedene Faktoren, die die Leistungsfähigkeit von Photovoltaikmodulen beeinflussen. Dazu gehören unter anderem:
  • Die Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung
  • Die Temperatur der Module
  • Der Winkel, unter dem die Sonne auf die Module trifft
  • Die Qualität der Materialien, aus denen die Module hergestellt werden
  • Die Größe und Anzahl der einzelnen Zellen in einem Modul
  • Die Art und Qualität des Modulrahmens und der Anschlusskabel
Es gibt auch verschiedene Arten von Photovoltaikzellen, die sich in ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden. Die am häufigsten verwendeten Arten sind:
  • Monokristalline Solarzellen: Diese bestehen aus einem einzigen Kristall und haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als andere Arten von Solarzellen.
  • Polykristalline Solarzellen: Diese bestehen aus mehreren Kristallen und haben einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen.
  • Dünnschicht-Solarzellen: Diese bestehen aus einer dünnen Schicht aus photovoltaischem Material und haben in der Regel einen niedrigeren Wirkungsgrad als kristalline Solarzellen.
Ein Vergleich der verschiedenen Arten von Photovoltaikzellen kann helfen, die beste Wahl für die jeweilige Anwendung zu treffen und die Leistungsfähigkeit der Anlage zu optimieren.

Anwendungen von Photovoltaikmodulen

Photovoltaikanlagen werden hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt. Diese Anlagen werden auf Dächern von Gebäuden oder auf Freiflächen installiert. Die erzeugte Energie wird entweder direkt im Gebäude selbst genutzt oder ins Stromnetz eingespeist. Die Installation von Photovoltaikanlagen trägt zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen bei und kann dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
Solarthermieanlagen werden hingegen zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Hierbei wird die Wärme der Sonnenstrahlen genutzt, um Wasser zu erhitzen. Solche Anlagen können ebenfalls auf Dächern von Gebäuden oder auf Freiflächen installiert werden.
Neben der Energieversorgung auf der Erde werden Photovoltaikmodule auch in der Raumfahrt eingesetzt. Hier müssen sie extremen Bedingungen wie starken Temperaturunterschieden und Strahlung standhalten. Die Energieversorgung von Satelliten und Raumsonden wird häufig durch Solarzellen gewährleistet.
Abgesehen von den genannten Anwendungen finden Photovoltaikmodule auch in vielen anderen Bereichen Anwendung, beispielsweise in der Landwirtschaft, wo sie zur Stromversorgung von Bauernhöfen eingesetzt werden können. In abgelegenen Gebieten, wo es keine Stromversorgung gibt, können Photovoltaikmodule auch für die Stromversorgung von Häusern und Gemeinden eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Photovoltaikmodule auf Basis des photoelektrischen Effekts funktionieren und Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Dabei spielen verschiedene Faktoren wie der Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen, der Aufbau der Module und das Lastmanagement eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit der Anlage.
In Zukunft wird die Photovoltaiktechnologie voraussichtlich weiter an Bedeutung gewinnen, da sie eine saubere und erneuerbare Energiequelle darstellt und dazu beitragen kann, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Neue Entwicklungen wie Dünnschicht-Solarzellen, organische Photovoltaik und die Integration von Speichertechnologien könnten die Effizienz und die Anwendungsmöglichkeiten der Photovoltaik weiter verbessern.