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Photovoltaik

Der Bereich der Photovoltaik umfasst die direkte Gewinnung von Elektrizität aus Sonnenlicht mit Hilfe von Solarzellen. Dies ist die gleichzeitig teuerste aber auch eleganteste Variante, aus Sonnenenergie Strom zu erzeugen.

Die Solarzelle ist die Grundeinheit eines Solarstromgenerators. Sie ist ca. 10x10cm2 groß und liefert Strom von einigen Ampere bei einer Spannung von ca. 0,5V. In der Regel werden mehrere Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschlossen und in einem witterungsfesten Rahmen, der alle Anschlüsse usw. enthält, angeboten. Die Anforderungen an ein Gehäuse sind hoch: Temperaturen von -40°C bis +80°C, Regen, Hagel, Wind, Kondenswasser...

Eine netzgekoppelte Solaranlage besteht meist aus mehreren Modulen, die mit einem Wechselrichter gekoppelt sind, der den erzeugten Strom in das öffentliche Netz einspeist. Der Besitzer eine Photovoltaik-Anlage ist somit Einspeiser für das öffentliche Netz und bekommt den Strom nach dem "Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien" (EEG) vergütet. Er bezieht den Strom den er selber verbraucht auch aus dem öffentlichen Netz, wobei jedoch eingespeister und verbrauchter Strom gegeneinandern aufgerechnet werden.

Inselanlagen kommen dort zum Einsatz, wo kein öffentliches Stromnetz zur Verfügung steht oder nur mit erheblichen Aufwand zu errichten ist. Diese sogenannten netzauktarken Solaranlagen sind mit Batterien zur Speicherung und einem Laderegler ausgestattet, was die Installationskosten erhöht. In Kanada und den skandinaischen Ländern kommen solche Anlagen zum Einsatz, um z.B. entlegene Ferienwohnungen mit Strom zu versorgen. In Deutschland sieht man Inselanlagen z.B. an Parkautomaten und an Stauwarnern.

Ein in Deutschland ansässiges Unternehmen hat durch seine Forschung bereits Zellwirkungsgrade von bis zu 35 Prozent erzielt; gegenüber herkömmlichen Solarzellen mit ca. 14 Prozent Wirkungsgrad ist das ein gewaltiger Fortschritt, der zu wesentlich kleinerem Flächenbedarf der Anlagen und zu einer Kosteneinsparung von bis zu 50 Prozent führt.
Leider werden diese erst in 2007 auf dem Markt erhältlich sein.

Die wesentlich günstigeren Systemkosten führen dazu, dass in sonnenreichen Gegenden zukünftige Stromentstehungskosten ähnlich denen traditioneller Kraftwerke möglich sind. Nach dem Return of Investment wird faktisch kostenloser Strom für die Lebensdauer der Solarzellen produziert.

Eine Untersuchung der OECD zeigt , dass heute immer noch weltweit über zwei Milliarden Menschen keinen Zugang zu einer regulären Energieversorgung haben. Ein Großteil dieser Menschen wohnt sogar im Sonnengürtel der Erde; dabei ist Energie der Schlüssel für jegliche wirtschaftliche Wertschöpfung, insbesondere auch in Entwicklungsländern.
Da eine zentrale Energieversorgung in diesen Regionen nicht rentabel ist und gewaltige Investitionsmittel verschlingen würde, bietet sich Solarstrom als dezentrale Energiequelle an.
Wegen der praktisch unerschöpfbaren Ressourcen der Sonnenenergie könnte die Photovoltaik zum dominierenden Energielieferanten der Entwicklungsländer werden.

Bereits im Jahr 2017 wird nach Prognosen der Weltbank ein Weltmarktvolumen für Solare Energiesysteme von 100 Milliarden überschritten. Der weltweite Markt für Photovoltaik wächst mit durchschnittlich über 30 Prozent p.a. und damit stärker als jeder andere Wirtschaftszweig.
Das Marktvolumen im Jahr 2020 wird größer als 50.000 MegaWattpeak sein und damit zu einem in 20 Jahren rund 140-mal größeren Markt führen (im Jahr 2000 wurden rund 280 MWp verkauft).

Die aus der Chiptechnologie stammenden Si-Wafer waren lange Zeit ein verfügbarer und relativ kostengünstiger Grundbaustein der Solarindustrie. Dies hat sich jedoch in den letzten 3 Jahren aufgrund des starken Wachstums der Solarindustrie (Verdoppelung der Nachfrage alle 3 Jahre) grundlegend geändert. Konnten zunächst noch brachliegende Kapazitäten der Herstellern von Silizium Wafern genutzt werden, verzeichnen wir seit 2004 eine extreme Verknappung. Zudem können Silizium-Wafer (Receiver) nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums umwandeln.

In der Raumfahrt (z.B. für die Stromversorgung von Satelliten) erreichen stufenartig aufgebaute Solarzellen schon seit rund zwei Jahrzehnten Wirkungsgrade von über 35 Prozent. Sie sind jedoch für den vollflächigen Einsatz auf der Erde zu teuer. Eine Lösung besteht darin, das einfallende Sonnenlicht durch eine vorgeschaltetete Optik auf eine kleine Fläche zu konzentrieren und nur auf dieser kleinen Fläche eine hocheffiziente Solarzelle einzusetzen.
Für eine solche Bündelung des Lichts wurden sogenannte Fresnel-Linsen entwickelt, die eine Konzentration des Lichts um einen Faktor von 250 bis 1000 ermöglichen.
Das auf der Gesamtfläche einer Linse von z.B. 10x10 cm eintreffende Sonnenlicht wird bei einer Konzentration mit dem Faktor 500 wie bei einem Brennglas auf einen Punkt von nur ca. 0,2 mm auf die Solarzelle konzentriert. Die entstehende hohe Temperatur muss dann aber sofort abgeleitet werden.

Statt einem Liquid-Kühlverfahren zur Temperaturreduzierung wird die Wärme direkt über eine mit der Solarzelle verbundene Platte in etwa gleicher Größe wie die Linse abgeleitet. Das Verfahren ist hoch effizient und zudem sehr kostengünstig. 

Durch diesen technologischen Kniff wird das Sonnenlicht hoch konzentriert und die aktive Solarzellenfläche lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen auf einen Bruchteil reduzieren. Dies bietet zum einen eine erhebliche Kosteneinsparung durch geringen Materialverbrauch, zum anderen können damit auch hochwertige und teure Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden.

Dual Layer Solarzellen mit Wirkungsgraden von ca. 28 Prozent lässt sich ein Modulwirkungsgrad von über 85 Prozent erreichen, sodass sich eine Leistung von ca. 60 Watt je Modul ergibt. Für die Leistung von 1 KiloWattpeak sind ca. 17 Module erforderlich. Für 2006 sind sog. Triple Layer Zellen vorgesehen, mit denen Modulwirkungsgrade von ca. 30 Prozent angestrebt werden.

Die III-V Solarzellen haben ein sehr großes Potential, da die Herstellung mit ähnlichen Verfahren wie die der LED Produktion (mit Wirkungsgraden bis zu 90 Prozent) erfolgt.