1 Photovoltaik: Umwandlung von Licht in elektrischen Strom (S. 15-16)

Im Zusammenhang mit Photovoltaik-Anlagen bzw. mit solarelektrischer Stromversorgung wird üblicherweise über eine Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom gesprochen. Das ist eigentlich nicht ganz korrekt. Sonnenenergie besteht vor allem aus Wärme und Licht, aber die Solarzellen (Abb. 1.1) können nicht die Sonnenwärme, sondern nur das Licht der Sonne nutzen und in elektrische Energie umwandeln. Zudem spielt hier die Art der Lichtquelle keine Rolle, denn Solarzellen wandeln auch Kunst- oder Tageslicht bei Bewölkung in elektrische Energie um. Der physikalisch stärkste Teil der Sonnenenergie ist die ausgestrahlte Wärme, von der wir 24 Stunden täglich profitieren – was auf die Lichtspenden in vergleichbarem Maß leider nicht zutrifft. Solarzellen mögen Wärme überhaupt nicht.

Ihre Leistung sinkt mit zunehmender Wärme nach Abb. 1.2 stark und steigt mit zunehmender Kälte. Das ist gerade bei dieser Form der Sonnenenergienutzung eine unangenehme Schwachstelle bei der Energieumwandlung: Solarzellen machen also nur den Teil der Sonnenenergie nutzbar, der in Form von Licht (Photonen) in sie eindringt, aber nicht den Teil der Sonnenenergie (also die Wärme), der sich auf sie ausgesprochen negativ auswirkt. Je stärker die Sonne scheint, desto kräftiger ist zwar die Einstrahlung des Sonnenlichts, aber gleichzeitig wärmen die Sonnenstrahlen die Solarzellen umso mehr auf und verringern dadurch ihre Ausgangsleistung. Die innere Betriebstemperatur der Solarzellen beträgt bei einer relativ guten Einbettung der Solarzellen im Modul bei voller Belastung wetterbedingt zwischen ca. 50 und 80° C.

An heißen Sommertagen kann sie bei Windstille sogar die 80° C überschreiten. Das hat eine spürbare Verringerung der solarelektrischen Leistung zur Folge, die z. B. der Wechselrichter von einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage erhält. Von dieser Leistung gehen weitere ca. 4 bis 8% an internen Verlusten im Wechselrichter verloren. Physikalisch bedingt wirkt sich auf Photovoltaik-Anlagen die Sonnenwärme daher ausgesprochen kontraproduktiv aus. Solarzellen – wie auch alle anderen Siliziumhalbleiter – mögen Wärme grundsätzlich nicht. Sie lieben Kälte und müssten eigentlich unterstützend gekühlt werden, um tatsächlich auch die Leistung erbringen zu können, die als ihre Nennleistung oder Leistung bei max. Belastung in den technischen Daten angegeben wird. Das ist gut zu wissen, denn eine Lüftung bzw. Kühlung steigert die elektrische Leistung dieser leisen elektrischen Generatoren.

Schlecht gekühlte Solarmodule heizen sich recht schnell auf. Eine der Ursachen liegt – wie z. B. bei jeder Siliziumdiode – in der Leistung, die abhängig von dem Strom, der durch die Solarzelle fließt, multipliziert mit der jeweiligen Zellenspannung, physikalisch bedingt in Wärme umgewandelt wird. Die zweite Ursache ist die Außenwärme, die als Summe der Umgebungswärme und der heißen Sonnenstrahlen die Solarzellen zusätzlich aufwärmen.

Diese Eigenschaften der Zellen wirken sich sehr kontraproduktiv auf die elektrische Leistung eines Solarmoduls aus: Je kräftiger die Sonne scheint, desto mehr wärmt sie mit ihren Strahlen die Zellen auf. Gleichzeitig steigt mit dem Photoneneinfall die elektrische Leistung der Zellen, wodurch diese sich noch mehr aufwärmen.