Photovoltaik
Der Name Photovoltaik wurde aus dem griechischen Namen für Licht sowie aus dem Namen des Physikers Alessandro Volta zusammengesetzt. Die Photovoltaik gehört zu den Erneuerbaren Energien und zwar wird bei Photovoltaik die Sonnenenergie mittels Solarzellen direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Die ersten Photovoltaikzellen wurden bereits in den 50er Jahren in der Satellitentechnik verwendet. Seit der Energiekrise in den 70er Jahren und dem gestiegenen Umweltbewusstsein gab es in der Photovoltaiktechnik ständig Fortschritte. Mit Hilfe des neuen EEGs, dem 100.000 Dächer-Programm sowie der finanziellen Anreize beim Bau einer Photovoltaik-Anlage wurde die Photovoltaik wirtschaftlich interessant.
Die Sonnenenergie, die auf unsere Erde trifft, übersteigt den Primärenergieverbrauch der Menschheit um ein vielfaches, etwa 15.000 Mal so viel. Allerdings wird der Lichtenergieeintrag der Sonne durch die Wolken reduziert. Trotzdem kann die verbleibende Strahlungsenergie aufgefangen und zum Teil in Elektrizität umgewandelt werden. Bereits im Jahr 1839 entdeckte Alexander Becquerel den Photoeffekt. Der Photoeffekt ist die Freisetzung von negativen sowie positiven Ladungsträgern in einem Festkörper, die durch Licht entsteht.
Hergestellt werden die Solarzellen überwiegend aus verschiedenen Halbleitermaterialien u.a. Silizium. Mit Halbleiter werden Stoffe bezeichnet, die durch die Zufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitfähig werden. Bei tiefen Temperaturen wirken Halbleiter isolierend. Der Vorteil des Siliziums besteht darin, dass dieses Element in ausreichenden Mengen vorhanden ist und dass die Verarbeitung von Silizium umweltverträglich ist. Bei der Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert" und zwar ist damit das Einbringen chemischer Elemente gemeint. Mit diesen chemischen Elementen kann entweder ein positiver oder ein negativer Ladungsträgerüberschuss erzielt werden. Bei zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten, entsteht somit an der Grenzschicht der so genannte postiv-negativ-Übergang. Das innere elektrische Feld baut sich an diesem Übergang auf und führt zu der Ladungstrennung des bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträgers. Diese elektrische Spannung kann über Metallkontakte abgegriffen werden. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, kann Gleichstrom fließen. Die so erzeugte Elektrizität wird entweder vor Ort genutzt bzw. in Akkumulatoren gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist. Zur Einspeisung wird der Gleichstrom der Solarzellen durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.
Die Herstellung der Solarmodule ist verhältnismäßig teuer, die Strahlungsenergie schwankt und ist nicht vorhersehbar. In Deutschland kann z.B. eine installierte Solaranlage im Juli einen wesentlich höheren Ertrag bringen als z.B. im Dezember. Deshalb sollte die Photovoltaik als Baustein in dem Energiemix betrachtet werden. Durch das Stromeinspeisungsgesetz und dem EEG sind in den letzten Jahren extrem viele Photovoltaikanlagen in Deutschland gebaut worden, die Nennleistung der Photovoltaik-Anlagen in Deutschland liegt bei über zehn Gigawatt. Darum wurde auch die Einspeisevergütung inzwischen deutlich gesenkt.
Neu im Angebot sind Solarzellen aus organischen Kunststoffen, die zwar nicht so lange haltbar wie z.B. die Siliziumzellen, allerdings wesentlich preiswerter sind. Sie sind außerdem biegsam, transparent, so dünn wie Kunststofffolien und sind dadurch vielfältiger einsetzbar, z.B. können damit Fensterflächen beschichtet werden. Eine Förderinitiative mit dem BMBF "Bundesministerium für Bildung und Forschung" versucht diese Technologie voranzutreiben.
Die elektrische Energie, die eine neu errichtete netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage in Deutschland liefert, steigt aufgrund der verbesserten Technik ständig an. Die Erträge im Süden Deutschlands sind natürlich höher als im Norden. Aber auch die Anlagen im Norden Deutschlands können noch 50-125 kWh pro Quadratmeter generieren. Natürlich liefert eine Photovoltaikanlage in Gegenden, in der die Sonnenstrahlungsintensität höher ist, mehr Strom. Normalerweise wird der meiste Strom zwischen acht Uhr morgens und neunzehn Uhr abends verbraucht. Die Photovoltaikanlagen erreichen ihre Spitzenleistung um die Mittagszeit. Durch diese Überdeckung im Lastprofil des Stromverbrauchs ist es durch die Photovoltaikeinspeisung nicht mehr notwendig die Spitzenlastkraftwerke anzufahren.
Die Solarzellen der Photovoltaik erzielen Wirkungsgrade zwischen einem bis zu über 40 Prozent. Die Solarenergie selbst ist gratis, allerdings spielt der Wirkungsgrad der Solarzellen bei der Reduzierung der Investitionskosten eine entscheidende Rolle. Der Wirkungsgrad einer organischen Solarzelle beträgt derzeit bis zu 8 Prozent, während der Wirkungsgrad der Module aus amorphem Silizium zwischen fünf bis 13 Prozent liegt. Allerdings beträgt der Wirkungsgrad der Solarzellen aus polykristallinem Silizium zwischen 13 bis 18 Prozent und die Solarzellen aus monokristallinem Silizium erreichen 14 bis 24 Prozent. In Laborsituationen haben die so genannten Konzentratorzellen einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent erreicht.
Zum Vergleich erreichen Kohlekraftwerke z.B. im weltweiten Vergleich nur einen Wirkungsgrad von 31 bis 42 Prozent, während die Kernkraftwerke nur 32 bis 36 Prozent erreichen. Die modernen Wasserkraftwerke erzielen einen Wirkungsgrad bis zu 80 Prozent, während thermische Solarkraftwerke einen Wirkungsgrad von etwa 32 Prozent haben. Die Solaranlagen zur Wassererwärmung erreichen ungefähr einen Wirkungsgrad von 90 Prozent, wenn sie die Sonnenstrahlung in Wärme umsetzen.
Photovoltaik wird nicht nur zur Stromgewinnung zur Einspeisung in das Stromnetz gewonnen, inzwischen gibt es viele mobile Anwendungsmöglichkeiten u.a. Solarflugzeuge, Solarfahrzeuge sowie Solarluftschiffe. Zwischengespeichert wird die gewonnene Energie in Solarbatterien. Photovoltaik wird auch dort eingesetzt, wo keine Netzversorgung stattfinden kann wie z.B. in der Raumfahrt, bei Solarleuchten oder als Inselanlage.
Natürlich haben Länder wie z.B. Chile, Kalifornien, Australien, Indien oder Länder, die in südlichen und meist sonnigen Gebieten liegen einen weitaus höheren Energieertrag durch Photovoltaik als Deutschland. Auch bietet die Photovoltaik den Entwicklungsländern eine preisgünstige Möglichkeit Strom ohne Dieselgeneratoren zu erzeugen.