Die globale Energie-Revolution basiert neben Windkraftanlagen maßgeblich auf dem Einsatz von Solarenergie. Überall werden Solarmodule und Wechselrichter genutzt, um Sonnenstrahlen bzw. Licht in elektrischen Strom zu wandeln. Der Siegeszug der Photovoltaik Anlagen von der hoch geförderten Nischen-Technologie zur günstigsten Quelle der Energieerzeugung ist atemberaubend. Eine Solar-Kraftwerk wird heute meist auf Freiflächen oder Dachflächen installiert, aber die Einsatzgebiete werden vielfältiger – so lohnt sich Photovoltaik etwa auch als Balkonkraftwerk (Balkonkraftwerk: Vorteile und Nachteile der Steckersolargeräte) oder Agri-PV. Dieser Cleanthinking-Ratgeber benennt die Vorteile und Nachteile, liefert Hintergründe zur Historie.
Im Ratgeber-Beitrag informieren wir Sie über die Vorteile, aber auch die Nachteile von PV-Anlagen. Dabei geht es auch um die Historie der Solaranlagen, unterschiedliche PV-Technologien und schließlich um die Frage: Wie kam es zum Siegeszug der Sonnenenergie und rechnet sich eine Solaranlage?
Definition: Was ist Photovoltaik?
Als Photovoltaik wird die Wandlung von Energie aus Sonnenlicht in elektrische Energie bezeichnet. Diese Wandlung passiert durch Nutzung von Solarzellen. Seit 1958 haben monokristalline Solarzellen signifikant zum Erfolg der Raumfahrt beigetragen. Heute gibt es unterschiedliche Typen von Solarzellen, insbesondere polykristalline Solarzellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlicher Leistung. Die Technologie trägt maßgeblich zur globalen Energieversorgung der Zukunft mit Solarstrom und somit zur Energiewende mit Erneuerbarer Energien bei.
Historie der Solarenergie – vom Altertum bis heute
Die aus menschlicher Sicht beinahe unendlich erscheinende Energie der Sonne wird nicht erst seit einige Jahrzehnten von den Menschen genutzt. Schon im Altertum dienten die Sonnenstrahlen als Wärmequelle – bei weitem nicht nur durch den Tag-Nacht-Zyklus, sondern auch als Wärmequelle darüber hinaus. Diesen Teil der Ausnutzung der Sonnenstrahlung bezeichnet man heute als Solarthermie.
Kennzeichnend ist aber die Wandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie. Der 1820 geborene, französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte in seiner Jugend den photoektrischen Effekt. Ganz präzise entdeckte er 1939 gemeinsam mit seinem Vater den Becquerel-Effekt, eine Art des photoelektrischen Effekts. Der damals 19-jährige Becquerel stellte durch Licht hervorgegangene elektrische Spannungen an Elektroden fest. Der Effekt besagt also, dass elektrische Spannung zwischen zwei zunächst identischen Elektroden in einem Elektrolyten auftritt, von denen nur eine belichtet wird.
Dabei war die Entdeckung dieses photoelektrischen Effekts durch Alexandre Edmond Becquerel eher ein Zufall – wie so oft in der Technikgeschichte. Der Physiker tüftelte zu dieser Zeit mit elektrolytischen Zellen mit einer Anode und Kathode aus Platin. Immer wider überprüfte er, wie viel Strom zwischen den Elektroden floß. Seine bahnbrechende Erkenntnis, ohne die es die heutige Photovoltaik womöglich nicht geben würde: Immer dann, wenn mehr Licht auf die Zellen traf, floß mehr Strom.
Aus physikalischer Sicht erklären konnte sich der junge Mann diesen Effekt nicht. Erst dem berühmten Albert Einstein gelang es fast ein Jahrhundert später, im Jahr 1921, mit seiner Lichtquantentheorie diesen Effekt zu erklären. Lohn seiner Mühe: Einstein gewann hierfür den Nobelpreis für Physik. Dieser hätte womöglich auch Becquerel zugestanden – nach ihm ist heute immerhin ein Preis benannt. In Vergessenheit geraten ist Alexandre Edmond Becquerel somit nicht.
Innerer und äußerer Photoeffekt
Der Erfinder der Solarzelle ist daher im Grunde Alexandre Edmond Becquerel. Denn seine Erkenntnisse zum photoelektrischen Effekt, der auch abgekürzt als Photoeffekt bezeichnet wird, ist bis heute die Grundlage für die Solarzellen-Technologie. Wichtig zu wissen ist aber, dass zwischen dem inneren Photoeffekt und dem äußeren Photoeffekt unterschieden wird.
Licht (also Photonen) kommen beispielsweise mit Metall oder einer anderen Fläche in Berührung. Dadurch werden Elektronen aus den Atomen dieses Metalls freigesetzt. Dabei fließt elektrische Energie (= Strom). Beim äußeren Photoeffekt verlassen die Elektronen das Material. Beim inneren Photoeffekt jedoch findet das Ganze vorwiegend in Halbleitern, also in Festkörpern, deren Leitfähigkeit sich unter bestimmten Umständen ändert, statt. Beispielhaft kann dafür das Hinzugeben von Energie (Wärme, Licht) verantwortlich sein.
Adams, Fritts und Labs machten die nächsten Schritte
William Grylls Adams und Charles Fritts sind zwei weitere Namen, die untrennbar mit der Geschichte der Solarenergie verbunden sind. Adams sorgte 1876 für die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Selen. Die Selen-Zellen hatten einen Widerstand von zwei Prozent. Adams leistete so wichtige Forschungsarbeit. Kurz danach, im Jahr 1883, schaffte es Charles Fritts aus den USA, die erste Solarzelle auf Basis von Selen zu bauen – der Wirkungsgrad lag bei ein bis zwei Prozent. Immerhin.
Nach den Selen-Zellen folgten Mitte des darauffolgenden Jahrhunderts Silizium-Solarzellen. Forscher war Bell Labs aus den USA. Bei Experimenten mit Silizium fiel ihm auf, dass Strom floss, sobald das Silizium mit Licht beschienen wurde. Bis heute ist Silizium einer der wichtigsten Rohstoffe der Photovoltaikzelle.
Die erste Silizium-Solarzelle
Die erste Silizium-Solarzelle entstand einige Jahre später auf Basis der gemachten Entdeckungen und brachte heutige Solaranlagen entscheidend voran. Die Solarzelle hatten immerhin einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Bis heute konnten Forscher die Ausbeute unter Normalbedingungen auf etwa 30 Prozent steigern. Die effizienteste Solarzelle der Welt schafft sogar fast 50 Prozent Wirkungsgrad – mehr dazu im nachfolgenden Text.
Als Erfinder der ersten Silizium-Solarzelle schließlich gelten der amerikanische Physiker Gerald Pearson und der Chemiker Calvin Souther Fuller. Ohne diese beiden elementaren Wissenschaften wäre es in den letzten Jahrzehnten nicht möglich gewesen, die Solarzelle zu erfinden.
Wie funktionieren Solarzellen?
Wie in der Definition beschrieben, erzeugt eine Solaranlage elektrischen Strom aus Sonnenenergie bzw. wandelt die Sonneneinstrahlung in Gleichstrom um. Ein Wechselrichter übernimmt anschließend die Wandlung in Wechselstrom, so dass die Energie vom Dach im Haus als Solarstrom genutzt werden kann. Das ist einer der zentralen Vorteile der Technologie.
Heute gibt es mehrere unterschiedliche Arten von Solarmodulen – die Wichtigsten basieren auf monokristallinen und polykristallinen Solarzellen. Wichtig ist diese Unterscheidung, weil damit unterschiedliche Spezifika wie Leistung, Kosten und etwa Verhalten bei Bewölkung über der Anlage verbunden sind.
Komponenten einer Photovoltaikanlage
Eine PV-Anlage besteht insbesondere aus zwei Komponenten: Den Solarmodulen einerseits und dem Wechselrichter andererseits. Die Solarmodule wiederum bestehen aus einer Vielzahl von Solarzellen, weil eine Zelle alleine nur relativ wenig Strom erzeugt. Typischerweise bestehen Solarmodule aus 60 solcher Zellen. Die Solarzelle ist für die Umsetzung des photoelektrischen Effekts zuständig.
Sobald Lichtstrahlen (= Photonen) auf die Solarzellen treffen, wird Solarenergie produziert. Dazu setzen die angesprochenen Photonen der Sonnenstrahlen in den Schichten der Solarzelle Elektronen frei, die als Gleichstrom durch die Kabel fließen. Der so erzeugte Gleichstrom geht daraufhin in den Wechselrichter, um ihn in haushaltsüblichen Wechselstrom zu wandeln.
Monokristalline Solarzellen
Während monokristalline Zellen auch bei diffusem Licht, also wenn die Sonne oberhalb der Wolken scheint und das Sonnenlicht nicht direkt auf die Solarzellen bzw. Solarmodule trifft, heutzutage immer bessere Leistung liefern, sind sie anfällig für hohe Temperaturen. Daraus ergeben sich auch zentrale Vorteile und Nachteile dieser Photovoltaik-Technologie. In Deutschland bedeutet das: Ab Juni wird es auf einem typischen deutschen Hausdach zu heiß, so dass die Leistung und damit der Solarstrom-Ertrag der monokristallinen Solarmodule stark nachlässt. Und die nachlassende Leistung, der geringere Wirkungsgrad der Solarmodule bedeutet schließlich höhere Kosten.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Zellen sind wegen ihrer quadratischen Form auffallend. Sie sind weniger ertragreich in diffusem Licht, dafür aber wenig temperaturempfindlich bei heißen Temperaturen – und mit diesen hohen Temperaturen müssen wir aufgrund der Erderwärmung zunehmend arbeiten. Je näher die Photovoltaikanlage am Äquator platziert wird, umso wahrscheinlicher ist also der Einsatz polykristalliner Solarzellen.
Eine kristalline Solarzelle besteht aus drei Halbleiter-Schichten – genauer aus der n-Schicht (negativ geladene äußere Schicht), der p-Schicht (positiv geladenene äußere Schicht) und der dazwischen liegenden Grenzschicht.
Die oberste, negativ geladene Halbleiter-Schicht wird durch das Einbringen von Fremdatomen wie beispielsweise Bor oder Phosphor leitfähig gemacht. In dieser Schicht sind die einzelnen Atome gesättigt – dadurch befinden sich freie Elektronen darin. Als Halbleiter-Material wird zumeist Silizium eingesetzt, daher spricht man auch von der Silizium-Schicht.
Die untere Silizium-Schicht hingegen, die mit Bor-Atomen angereichert ist, enthält zu wenige Elektronen.
In der Grenzschicht wiederum sind gesättigte Silizium-Atome. Über diese wandern die überschüssigen Elektronen der n-Schicht in die p-Schicht, um sich an die überschüssigen Bor-Atome anzudocken. Durch diese Bewegungen bildet sich ein elektrisches Feld innerhalb der Solarzelle. Es wird auch als p-n-Übergang bezeichnet.
Der photoelektrische Effekt
Fällt nun Licht auf die Solarzelle, werden durch den beschriebenen Effekt Elektronen frei, die sich durch das elektrische Feld im p-n-Übergang bewegen und hierdurch elektrische Spannung generieren. Genau diese Gewinnung elektrischer Spannung wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Konkret werden an der Ober- und der Unterseite der Solarzelle Metallkontakte gesetzt – diese sind gewöhnlich aus Aluminium oder Silber – und miteinander über ein Kabel verbunden. Sie leiten die Elektronen ab und bringen sie über das Kabel zum Fließen – ein elektrischer Stromkreis entsteht.
Was ist die effizienteste Solarzelle der Welt?
Im Mai 2022 haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme in Freiburg bekanntgegeben, die effizienteste Solarzelle der Welt entwickelt zu haben. Es handelt sich um eine Vierfachsolarzelle mit komplexen Strukturen, die einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent im Labormaßstab erreichte. Entscheidend für den Erfolg war unter anderem eine Antireflexbeschichtung. Je höher der Wirkungsgrad, umso kosteneffizienter ist die Photovoltaik. Unter Normalbedingungen erreichen Solarzellen Wirkungsgrade von unter 30 Prozent – daher lohnt sich Photovoltaik.
Die Schichtstruktur der einzigartigen Solarzelle wurde schon im Jahr 2016 gemeinsam mit der Soitec AG festgelegt. Es handelt sich um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die von Soitec auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) aufgebracht wurde.
Die Solarzellenschichten wurden seitdem im Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen des Fraunhofer ISE mit verbesserten Kontaktschichten und einer 4-lagigen Antireflexionsschicht versehen. Hierdurch sinken Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle, welche in einem breiten Spektralbereich von 300-1780 Nanometern empfindlich ist. Herkömmliche Solarzellen aus Silizium absorbieren das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1200 Nanometern und benötigen damit keine solch breitbandige Entspiegelung.
Mit dieser Solarzelle lohnt sich Photovoltaik ganz besonders.
Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern gehören seit jeher zu den effizientesten Solarzellen der Welt. Sie entfalten ihr höchstes Potenzial, wenn das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Bauelemente gebündelt wird. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-PV-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen“, erklärt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter für PV-Forschung am Fraunhofer ISE. „Mit Tandem-Solarmodulen ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen.“
Solaranlage: Funktion auf Dach, Freifläche, Floating Solar
Eine Solaranlage ist heute an vielen unterschiedlichen Stellen sinnvoll einsetzbar zur Produktion von Solarstrom. Ganz klassisch wird die Dachfläche von Einfamilienhäusern zur Sonnenstrom-Ernte genutzt. Auch Freiflächen-Solar ist oft zu sehen, wenn man mit dem Auto oder der Bahn durch Deutschland reist.
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Relativ neu sind sogenannte „Floating Solar“-Konzepte, bei denen die Vorteile einer Platzierung auf dem Wasser genutzt werden. Solche Anlagen werden zunehmend populärer, um den Platzbedarf für Solar an Land zu reduzieren.
Vorteile einer Solaranlage – ob sich Photovoltaik heute noch lohnt?
Die Vorteile einer Solaranlage zur Gewinnung von Energie sind vielfältig. Als erneuerbare Energieform ist Solarstrom eine unerschöpfliche Energiequelle. Solarmodule zu transportieren und irgendwo als Anlage aufzustellen, stellt kein großes Problem dar. Die Kosten pro kWp sind in den vergangenen Dekaden rasant gesunken. Gleichzeitig hat sich die Leistung der Solarmodule verbessert. Damit sind lohnen sich Photovoltaikanlagen für Einfamilienhausbesitzer genauso wie für den Landwirt, der sein Gelände um Agri-PV als Solarkraftwerk ergänzen will. Da Photovoltaik heute die günstigste Erzeugungsart darstellt, sollte man jetzt in Photovoltaik investieren, um zukunftssicher seine persönliche Energiewende zu realisieren.
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Solar war in Deutschland zunächst aufgrund hoher Kosten nur mit der im Erneuerbare Energien Gesetz festgelegten Einspeisevergütung attraktiv. Diese Einspeisevergütung wurde für jede Kilowattstunde Strom über 20 Jahre garantiert. Das führte zu Mitnahmeeffekten: So manches Dach auf einem Feld wurde letztlich nur für die Ernte von Sonnenstrom gebaut. Lange Jahre war also das Einspeisen von per Solar erzeugtem Strom ins öffentliche Netz das zentrale Ziel.
In den vergangenen Jahren hat sich das drastisch gewandelt: Die Kosten für den Strom vom Dach, also entsprechende PV-Anlagen, sind über die Jahre gesunken – dadurch lohnt sich Photovoltaik. Die Einspeisevergütung ist weniger attraktiv geworden – somit hat es sich durchgesetzt, auf Einfamilienhäusern die PV-Anlagen so auszurichten, das sie den größtmöglichen Eigenverbrauch liefern. Die PV-Anlage rechnet sich in vielen Fällen besonders dann, wenn diese mit einem Heimspeicher kombiniert wird. Ohne Speicher lassen sich in der Regel 30 Prozent des Haushaltsstroms mit der PV-Anlage vom Dach abdecken – kommt ein Energiespeicher dazu, steigt dieser Wert auf bis zu 70 Prozent. Die Maximierung des Eigenverbrauchs ist bei der Auslegung heutiger Solaranlagen ein zentraler Maßstab.
Die Anwendungsvielfalt wird in dieser Dekade weiter zunehmen. Stichworte dafür sind:
- Agri-PV – Kombination mit landwirtschaftlicher Nutzung
- Fassaden-PV oder BIPV (Gebäudeintegriert).
- Weltraumgestützte Solarenergie
- Autos oder andere Fahrzeuge, die Solarzellen integriert haben
- Consumer Electronics wie Kopfhörer, Smartphones, Notebooks oder Tastaturen mit integrierten Zellen
5 Photovoltaik Vorteile im Überblick
Nachteile von Solaranlagen
Die Sonne liefert zwar irgendwo auf der Welt Energie, aber nirgendwo Tag und Nacht. Daher wird auch von fluktuierender oder intermittierender Energieerzeugung durch PV-Anlagen gesprochen. Daneben ist der Platzbedarf für solche Anlagen im Verhältnis zu einem Kernkraftwerk beispielsweise relativ hoch – und es kann schon Situationen geben, da lohnt sich Photovoltaik nicht. Allerdings lässt sich eine entsprechende Anlage dort errichten, wo die Landschaft ohnehin bereits genutzt wurde – beispielsweise auf den Dächern von Einfamilienhäusern, öffentlichen Gebäuden oder gewerblich genutzten Hallen.
Die Nachteile sind dagegen überschaubar. Der Winter-Ertrag einer Anlage, das ist ein zentraler Nachteil, ist sehr gering. Zwar ist dieser Nachteil in den letzten Jahren etwas geringer geworden, weil Solarzellen vor allem Licht brauchen, und auch bei diffusem Licht deutlich mehr Strom liefern. Aber dieser Energie-Ertrag steht in keinem Verhältnis zu der Stromerzeugung in Frühjahr, Sommer und Herbst.
Ein weiterer Nachteil ist, dass Solarmodule hitzeanfällig sind. Die höchsten Solar-Erträge lassen sich – entgegen der landläufigen Meinung – nicht im Hochsommer erzielen, sondern dann, wenn es angenehme 20 bis 25 Grad Celsius hat. Angesichts der fortschreitenden Erderwärmung wird es immer mehr Sonnentage in dieser Temperaturspanne auch in Deutschland geben, was wiederum ein Vorteil ist – die Hitzetage nehmen allerdings, und darin liegt der Nachteile der Erderwärmung, ebenfalls zu. Somit halten sich hier Vorteile und Nachteile die Waage.
5 Nachteile der Photovoltaik im Überblick
Weiterführende Infos zu Einspeisevergütung, Wechselrichter und Module
Die Menschen in Deutschland fragen sich: Was kostet eine PV-Anlage und lohnt sich Photovoltaik? Die allgemeine Antwort lautet: Die Photovoltaik Preise fallen Jahr für Jahr. Und: gerade hat die Bundesregierung die Umsatzsteuer für Photovoltaik und Speicher auf Null gesenkt. Erhalten Sie darüber hinaus hier einen Überblick über PV Kosten im Jahr 2023. Wer eine Anlage kaufen möchte, versucht heute mit einem Speicher für Photovoltaik den Eigenverbrauch zu maximieren. Die EEG-Einspeisevergütung spielt hingegen mittlerweile nur noch eine untergeordnete Rolle. Mehr zur disruptiven Entwicklung von Solar gibt es hier.
Rund um die Frage lohnt sich Photovoltaik wirklich? gibt es im deutschsprachigen Web eine Vielzahl sehr guter, weiterer Informationsquellen. Neben unserem Beitrag über Vorteile und Nachteile empfehlen wir folgende Seiten:
- Webseite von Prof. Volker Quaschning rund um Erneuerbare Energie und Klimaschutz
- Unter pv-fakten.de bietet das Fraunhofer ISE sehr viele und vor allem aktuelle
- Balkonkraftwerke und Solaranlagen seit 2023 von der Umsatzsteuer befreit
- Werden 2023 weltweit 400 Gigawatt zugebaut?
(Dieser Beitrag entstand ursprünglich am 22. Juli 2019, wurde seitdem umfassend überarbeitet und erweitert)
Martin Ulrich Jendrischik, Jahrgang 1977, beschäftigt sich seit mehr als 15 Jahren als Journalist und Kommunikationsberater mit sauberen Technologien. 2009 gründete er Cleanthinking.de – Sauber in die Zukunft. Im Zentrum steht die Frage, wie Cleantech dazu beitragen kann, das Klimaproblem zu lösen. Die oft als sozial-ökologische Wandelprozesse beschriebenen Veränderungen begleitet der Autor und Diplom-Kaufmann Jendrischik intensiv. Als „Clean Planet Advocat“ bringt sich der gebürtige Heidelberger nicht nur in sozialen Netzwerken wie Twitter / X oder Linkedin und Facebook über die Cleanthinking-Kanäle ein.
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