Wie funktioniert Photovoltaik? – Einfach erklärt!

Erneuerbare Energiegewinnung ist wichtiger denn je, um den Planeten zu schützen und zugleich eine unabhängige Energieversorgung zu gewährleisten. Heutzutage gibt es unzählige Möglichkeiten, nachhaltig Energie zu erzeugen: Wasser, Wind und Biomasse zählen zu den bekanntesten. Auch Solarenergie ist ein wesentlicher Bestandteil der erneuerbaren Energieerzeugung und soll ab 2023 vermehrt gefördert werden. Mithilfe von Photovoltaik-Anlagen kann Solarenergie in Strom umgewandelt werden. Dieser kann zum Eigenverbrauch genutzt sowie verkauft und in das Stromnetz eingespeist werden. Doch wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage? Was gehört alles zu einer Photovoltaik-Anlage dazu? Und was sind die Vorteile einer Photovoltaik-Anlage?

Inhalt:

1. Was ist Photovoltaik?
2. Aufbau einer Photovoltaik-Anlage
3. Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?
4. Unterschied: Solar und Photovoltaik
5. Photovoltaik-Anlage: Vorteile & Nachteile
6. Photovoltaik-Anlage: Förderung vom Bund (EEG)
7. FAQs

Bevor die Frage „Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage?“ beantwortet werden kann, sollten zunächst einmal die Komponenten einer PV-Anlage geklärt werden.

Komponenten einer PV-Anlage (Übersicht)

• Solarmodule (i. d. R. auf dem Dach)
• Unterkonstruktion, Anschlusselektrik & Verkabelung
• (Solar-)Wechselrichter wechselt Gleichstrom in Wechselstrom
• Stromzähler bemisst die Menge an Solarstrom
• Energiemanagementsystem (optional)

Was macht ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter, auch Drehrichter oder Inverter genannt, ist eine Art von Stromrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln kann. Da PV-Anlagen Gleichstrom produzieren, durch das allgemeine Stromnetz in Deutschland aber Wechselstrom läuft, muss der Gleichstrom konvertiert werden.

Im Prinzip besteht jede Photovoltaik-Anlage aus diesen Komponenten, doch wie funktioniert Photovoltaik – wie wird aus dem Sonnenlicht Strom? Um dies zu verstehen, sollte zunächst der Aufbau einer einzelnen Solarzelle dargestellt werden.

Aufbau Solarzelle

1. Kontaktfläche + Stromleitung
2. n-Schicht (negativ geladen)
3. Grenzschicht (neutral)
4. p-Schicht (positiv geladen)
5. Kontaktfläche + Stromleitung

Funktionsweise Solarzelle

1. Elektronenüberschuss in der n-Schicht

In der n-Schicht herrscht durch die gezielte Verunreinigung von Phosphor ein Elektronenüberschuss. Die Elektronen werden von der positiv geladenen p-Schicht, welche durch die gezielte Verunreinigung von Bor einen Elektronenmangel hat, an der Unterseite der Solarzelle angezogen. Doch die eingebaute Grenzschicht (auch pn-Übergang) verhindert eine direkte Verbindung von Minus zu Plus – solange keine Sonne scheint. In der Solarzelle ist nun oben ein Minus- und unten ein Pluspol, genau wie in einer Batterie.

2. Licht macht die Solarzelle leitfähig

Trifft nun Sonnenlicht auf die Solarzelle, wird diese durch Licht und Wärme leitfähig. Denn das Sonnenlicht löst die Elektronen von ihren Atomen in der Grenzschicht, sodass diese zur p-Schicht (Pluspol) wandern.

3. Elektronen kommen aus der n-Schicht nach

Da nun in der Grenzschicht Elektronen fehlen, kommen aus der n-Schicht (Minuspol) mit Elektronenüberschuss Elektronen nach. Diese wandern dann aus der Grenzschicht ebenfalls immer weiter nach unten.

4. Elektronen werden durchs Stromkabel gedrückt

Immer mehr Elektronen sammeln sich in der p-Schicht, bis sie letztlich nach unten durch die Stromleitungen an der Unterfläche der Solarzelle „gedrückt werden“.

5. Stromkreislauf

Solange die Sonne scheint, wandern die Elektronen stetig aus der n-Schicht in die Grenzschicht und aus der Grenzschicht in die p-Schicht und von dort über die Stromleitungen wieder zur n-Schicht – es entsteht Strom. Der Strom wird dann vom (Solar-)Wechselrichter umgewandelt bzw. vom Stromspeicher oder dem Energiemanagementsystem gespeichert, um dann weiterführend genutzt zu werden.

Tipp: Falls Sie bei sich zuhause eine Photovoltaik-Anlage installiert haben, können Sie den Strom auch nutzen, um damit ein Elektroauto oder Hybrid-Auto aufzuladen.

Gibt es einen Unterschied zwischen Solar und Photovoltaik? Ja und nein. Der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solar besteht darin, dass Solar als Oberbegriff für jegliche Solarenergie dient und Photovoltaik hingegen nur eine Möglichkeit ist, Solarenergie zu nutzen. Einen Unterschied zwischen der Photovoltaik- und Solaranlage gibt es jedoch erstmal nicht, denn gemeint ist häufig dasselbe.

Hin und wieder kann jedoch auch die Solarthermie gemeint sein. Hierbei wird die Sonnenenergie genutzt, um damit Wärme zu erzeugen, wohingegen Photovoltaik diese Energie verwendet, um damit Strom zu generieren. Beide Varianten lassen sich im größeren Zusammenhang jedoch als „Solaranlagen“ bezeichnen.

Nachdem die Frage „Wie funktioniert Photovoltaik?“ geklärt ist, lohnt es sich über die Vor- und Nachteile von Photovoltaik zu sprechen. Die Installation und Anschaffung einer PV-Anlage ist eine Investition, die sich rentieren sollte. Daher finden Sie nachfolgend einmal die Nachteile und Vorteile einer Photovoltaik-Anlage für Privatpersonen:

Vorteile

• Unabhängig vom energieversorgenden Konzern
• Geringere Stromkosten
• Finanzieller Ertrag aus zwei Quellen (Verkauf & Eigenbedarf)
• Gut für die Umwelt
• Investition in die Zukunft (bis zu 30 Jahre haltbar)
• Wertsteigerung der Immobilie

Nachteile

• Bürokratischer Aufwand
• Schwankender Ertrag
• Je nach Angebot langwierige Amortisierung (z.B. nach ca. 10-15 Jahren)
• Steuerverluste oder -abgaben
• Verlieren im Laufe der Zeit an Leistung (die meisten Herstellenden garantieren 80 % Leistung bei 20 Jahren Laufzeit)

Im Kontext von Photovoltaik kommt auch immer wieder die berechtigte Frage nach der staatlichen Förderung von Photovoltaik-Anlagen auf. Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird Photovoltaik, wie auch andere erneuerbare Energiequellen, gefördert. Die meisten Regelungen des EEG gelten ab dem 01. Januar 2023, einige schon früher. Außerdem sollen bis 2030 über 80 % des Bruttostromverbrauchs von erneuerbaren Energien erzeugt werden.

Einspeisung & Einspeisevergütung

PV-Anlagen, die ab dem 01. Januar 2023 in Betrieb gehen, dürfen nun auch über 70% der PV-Nennleistung (kWp*) in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Für Bestandsanlagen bis 7 kWp gilt dasselbe. Ältere Anlagen zwischen 7 und 25 kWp müssen dagegen auch über den Jahreswechsel hinaus die entsprechende Programmierung beibehalten. Für PV-Anlagen über 750 kWp muss eine Ausschreibung erfolgen. Die Einspeisevergütung für PV-Anlagen beträgt je nach Anlage ca. zwischen 6-13 Cent/kWh. Bei der Vergütung wird weiterhin zwischen Voll- und Überschusseinspeisenden unterschieden.

*Kilowattpeak (Einheit für die theoretische Höchstleistung einer PV-Anlage)

Wichtig: Da sich die Regelungen des EEG stetig wieder ändern können, ist dies nur ein Auszug aus dem EEG für 2023 (Stand: November 2022).