Wie funktionieren Photovoltaikanlagen?
Photovoltaikanlagen – auch allgemeiner „Solaranlagen“ genannt – werden immer beliebter. Je nach Wetterlage und Dauer des Sonnenscheins produzieren sie tagsüber weitgehend emissionsfrei eine Menge Strom. An einem Sommertag kann eine Solaranlage auf dem Dach schon mal alle alltagsüblichen Haushaltsgeräte mit Energie versorgen. Eine ausgeklügelte Technik macht es möglich.
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Umgebaute Kristallgitter
Ob auf freien Flächen, Dächern oder an Fassaden: Photovoltaikanlagen fangen das Sonnenlicht ein und wandeln es in elektrischen Strom um. Das Kernstück der Anlagen sind Solarzellen, deren Grundbausteine meist Siliziumatome. Diese sind miteinander verbunden und bilden ein stabiles Kristallgitter. Wir sehen uns die Verbindungen etwas genauer an: Auf der Außenschale jedes Siliziumatoms sitzen vier Elektronen. Oder etwas anschaulicher: Jedes Siliziumatom hat vier Ärmchen. Und jedes Ärmchen hakt sich bei einem Ärmchen eines anderen Siliziumatoms unter. Die Bindungen werden also aus zwei Ärmchen gebildet. Oder anders ausgedrückt: aus einem Elektronenpaar.
Doch das Gitter muss umgebaut werden, damit es Licht in elektrische Energie umwandeln kann. Dafür werden aus der oberen Hälfte des Gitters gezielt einige Siliziumatome herausgelöst und beispielsweise durch Phosphoratome ersetzt. Phosphor hat fünf Elektronen auf seiner Außenschale. Weil seine Nachbarn aber alle Siliziumatome sind, können nur vier Elektronen Bindungen eingehen. Ein Elektron bleibt frei. Auch die untere Hälfte des Gitters wird verändert. Wieder werden einige Siliziumatome herausgelöst, und Fremdatome eingeschleust. Aber diesmal zum Beispiel Boratome. Bor hat nur drei Elektronen auf seiner Außenschale. Ein Elektron fehlt, und so bleiben auf der Unterseite des Gitters Siliziumärmchen ungebunden.
Oben zu viel, unten zu wenig
Oben im Kristallgitter gibt es also zu viele Elektronen und unten fehlen welche. Die überschüssigen oder „freien“ Elektronen von oben wandern nun zu den Lücken von unten und besetzen sie. Diese Lücken treiben quasi die Bewegung an. Am Ende des Umbaus haben sich alle Ärmchen untergehakt und alle Außenelektronen sind gebunden.
Wichtig dabei: Elektronen sind negativ geladen. Weil sie nun aus der oberen Schicht in die untere abgewandert sind, ist die obere jetzt positiver geladen als vorher. Die untere Schicht hingegen negativer. Eine Spannung ist entstanden mit einem Pluspol und einem Minuspol. Nun kommt das Licht ins Spiel: Es trifft auf die Solarzelle und löst die Verbindungen wieder auf, die sich beim Umbau des Gitters zwischen Silizium- und Boratomen ergeben haben. Es werden also wieder Elektronen frei. Und aufgrund der vorliegenden Spannung bewegen sie sich. Diese Bewegung lässt sich nutzen.
Über Metallkontakte, die oben und unten an der Silizium-Doppelschicht angebracht sind, werden die Elektronen abgeleitet. Durch einen Draht wandern sie zum entgegengesetzten Pol – es fließt elektrischer Strom.
Stromlieferant dank Photovoltaik
Menschen mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach oder an der Fassade nutzen den Strom meist selbst. Viele investieren auch in einen Batteriespeicher: Wird zwischen die beiden Drahtenden statt der Glühbirne ein Elektromotor geschaltet, lädt sie sich auf. So kann der Akku den selbst produzierten Strom auch nachts zur Verfügung stellen. Und falls man gerade selbst nicht so viel Strom benötigt, wird man eben zum Lieferanten: Der überschüssige Elektronenstrom wird ins öffentliche Netz eingespeist. Dann können andere Haushalte die gewonnene Sonnenenergie nutzen.
Ein Youtuber erklärt mit verständlichen Skizzen, wie Photovoltaikanlagen funktionieren.