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In diesem Schaubild sieht man die Verhältnisse der Verfügbarkeit von verschiedenen Energieformen. Der Kasten rechts unten in der Ecke stellt im Verhältnis dazu den jährlichen Energieverbrauch dar. Wie man sieht, würden auch schon Windenergie, Wellenenergie oder Biomasse mehr als ausreichen, um den globalen Energiebedarf zu decken. Die meiste Energie ließe sich aber durch die auf die Erde einstrahlende Energie gewinnen.

In gewissem Sinne nutzen wir diese Energie ja auch bereits, da auch fossile Brennstoffe nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie sind. Das Problem dabei ist aber die zur Regeneration notwendige Zeit. Deshalb müssen wir dazu übergehen Sonnenenergie direkter zu nutzen. Dies kann auf zwei verschiedene Weisen geschehen. Auf der einen Seite kann man die Wärme der Sonne dazu nutzen um Wasser zu erhitzen und die so entstandene Wärmeenergie zu verarbeiten (Solarthermie) oder man kann den photovoltaischen Effekt nutzen um Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln.[5]

Der Unterschied dieser Energieformen ist, dass Wärmeenergie nur nutzbar ist, wenn sie wärmer ist als die Umgebung. Elektrische Energie dagegen lässt sich immer in nutzbare Arbeit oder Wärme umwandeln. Das einzige Problem bei dieser ist, dass sie sich nicht direkt speichern lässt. Um elektrische Energie zu speichern ist die Umwandlung in eine andere Energieform (bei Batterien in chemische Energie) unumgänglich.

Mit der Energiegewinnung aus der Sonne ist es allerdings nicht mehr empfehlenswert Energie in großen Kraftwerkkomplexen zu erzeugen. Diese neue Form der Energiegewinnung erfordert eine neue Denkweise. Die dezentrale Erzeugung. Hier gibt es anstatt einem Kraftwerk und langen Übertragungswegen viele kleine Anlagen, die für einen bestimmten Teil des Netzes, ihren Strom zur Verfügung stellen.[6]

Auch die Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage stellt hier kein Problem dar. Wenn man davon ausgeht, dass der jährliche Strombedarf der Bundesrepublik Deutschland etwa 500 Milliarden kWh im Jahr beträgt und ein PV-Modul von einem Quadratmeter Größe etwa 100kWh im Jahr liefert, so sähe die Rechnung für die benötigte Modulfläche folgendermaßen aus:

Silizium ist ein 4-wertiges Element. Dies wird durch seine äußeren Elektronen (Valenzelektronen) bestimmt. Im Periodensystem der Elemente befindet es sich deshalb auch in der vierten Hauptgruppe.

Es kann sich mit vier weiteren Siliziumatomen verbinden, wodurch es zusammen mit den anderen Atomen acht Außenelektronen teilt und so chemische Stabilität erreicht (Elektronenpaarbindung). Diese Verbindung ist allerdings nur in einer bestimmten Anordnung der Atome möglich, dem so genannten Diamantgitter.

Bei der Solarzelle wird nun ein Siliziumatom durch ein 5-wertiges Element wie zum Beispiel Phosphor ersetzt. Im Diamantgitter bleibt so ein Elektron übrig und kann sich frei bewegen. Die Siliziumschicht wird negativ leitend (n-dotierte Schicht). Um eine solche Schicht zu erhalten genügt bereits ein Fremdatom auf 1.000.000 Siliziumatome.

Für eine positiv leitende Schicht (p-dotierte Schicht) wird anstelle eines 5-wertigen ein 3-wertiges Element eingebracht. Im Diamantgitter fehlt so ein Elektron, um eine stabile Struktur aufbauen zu können. Es entsteht ein so genanntes Loch, welches durch das Stabilitätsbestreben der Atome ebenfalls frei beweglich ist.[9]

Wenn wir nun die Solarzelle genau betrachten erhalten wir in etwa das folgende Bild:

Wie man an diesem Bild sehen kann, bildet sich durch das Stabilitätsbestreben der Siliziumatome zwischen den verschieden dotierten Schichten eine Raumladungszone aus. Da diese durch einen Ladungsträgeraustausch entstanden ist, ist ihre Ladung als neutral anzusehen. Aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der p-Schicht und der n-Schicht bildet sich über die Raumladungszone ein elektrisches Feld aus.

Wenn nun Licht auf die n-Schicht fällt, so dringen Photonen in die Zelle ein und wandeln ein vorher neutrales Teilchen so um, dass ein Ladungsträgerpaar (Elektronen-Loch-Paar) entsteht. Durch dass elektrische Feld in der Raumladungszone wird das Loch aus der n-Schicht gerissen und in die p-Schicht übertragen. So entsteht über die Solarzelle eine messbare äußere Potentialdifferenz. Verbindet man jetzt die beiden Schichten über einen Verbraucher, so entsteht ein geschlossener Stromkreis, welcher das Bestreben hat die Potentialdifferenz auszugleichen.[11]

Ist die Lichtintensität zu stark, so dringen die Photonen bis in die Raumladungszone vor, wo sie keine Wirkung erzielen. Ist die Intensität zu gering, so kommen die Photonen nicht nah genug an die Raumladungszone heran, um in das elektrische Feld zu gelangen. Man spricht deshalb auch von einem nutzbaren Lichtanteil (siehe Graph rechts vom Bild).

Um also eine funktionierende Solarzelle überhaupt bauen zu können, ist es notwendig die verwendeten Komponenten an das von der Sonne eingestrahlte Strahlungsspektrum anzupassen.[12]

mit

und

sowie

r_SE = 1,496 * 10¹¹ m  ;  r_E = 6,38 * 10⁶ m  ;  T_S = 5800 K

 

P_S = 3,14 *(6,38 *10⁶)² *(21,7 *10^-6) *(5,67 *10^-8 W/m²*K⁴) *(5800 K)⁴ = 1,781 *10¹⁷ W

An diesem Bild soll die genaue Herkunft der einzelnen Werte für die Rechnung noch einmal verdeutlicht werden.

 

Aus der eingestrahlten Leistung ergibt sich eine jährlich eingestrahlte Energie von:

P_S * 365 Tage * 24 Stunden =
1,781 *10¹⁴kW *365 *24h = 1,560 *10¹⁸ kWh

Diese Rechnungen gelten allerdings nur für den Fall einer idealen Strahlungsquelle. In der Realität wird das von der Sonne abgestrahlte Spektrum zunächst von kosmischen Kleinstteilchen verzerrt und beim Eintritt in die Erdatmosphäre durch verschiedene Gase teilweise absorbiert, so dass sich folgendes Strahlungsspektrum für die Erdoberfläche (auf Höhe des Meeresspiegels) ergibt.[14]

Auf diesem Bild sieht man zunächst die von der Sonne abgestrahlten Lichtspektren (X-Achse) im Verhältnis zu ihrer Intensität (Y-Achse). Die durchgezogene Linie stellt die so genannte Schwarzkörperstrahlung dar, also das direkt von der Sonne abgestrahlte Spektrum. Die mit AM0 (Air Mass 0) gekennzeichnete Linie steht für das Strahlungsspektrum, wie es auf die Erdatmosphäre trifft. Die mit AM 1,5g (Air Mass 1,5g, diese ergibt sich daraus, dass die Sonnenstrahlen schräg auf die Atmosphäre treffen. 1,5g ist als Mittelwert festgelegt. In der Realität ist es so, dass in Deutschland zur Sommersonnenwende AM 1,15 und zur Wintersonnenwende AM 4,12 zur Berechnung notwendig ist.) gekennzeichnete Linie stellt das Strahlungsspektrum dar, wie es auf Höhe des Meeresspiegels eintrifft. Die Täler sind zusätzlich mit den Gasen bezeichnet, welche für sie verantwortlich sind. Zum Beispiel CO2 ist zusammen mit H2O verantwortlich für die beiden Täler vor 1,5 ?m und 2,0 ?m, da es diesen Lichtanteil absorbiert.[16]

Der lokale Wert für AM x ist immer Abhängig von der geographischen Breite, Datum und Uhrzeit. Er ist also abhängig vom Sonnenstand und Einstrahlungswinkel.

Zusätzlich zum Einstrahlungswinkel und dem daraus resultierenden, verfügbaren Lichtspektrum spielt zum betreiben einer Photovoltaikanlage auch noch die Wetterlage eine gewisse Rolle (mehr dazu in Kapitel 2.4).

27% der Erdkruste besteht aus Silizium, dadurch ist dieses in seiner Verfügbarkeit am wenigsten eingeschränkt. Weiterhin entspricht seine Bandlücke nahezu dem Optimum für die Wandlung von solarer Strahlung und es ist ungiftig für den Menschen.[19]

Andere Halbleitermaterialien wie Indium, Gallium, Tellur oder Selen sind dagegen sehr selten. Da diese noch dazu beim Bau von LCD Bildschirmen und Leuchtdioden verwendet werden kommen sie beim Bau von Solarzellen eher weniger zur Verwendung.[20]

Im Moment bestehen etwa 30 % aller in Betrieb befindlichen Solarzellen aus monokristallinem Silizium und etwa 60 % aus polykristallinem Silizium.

Kristallines Silizium wird aus Quarzsand gewonnen, für die Weiterverarbeitung zu Solarzellen wird es in speziellen Öfen auf einen Reinheitsgrad von 98% gebracht. Nach anschließender Anwendung des Siemens-Prozesses ist das Silizium zu nahezu 100% rein. Dieses Silizium wird anschließend zu Einkristallstäben gezogen und in 0,3mm dicke Scheiben zersägt (sog. Wafer). Diese können nun sowohl in der Computerindustrie, als auch zum weiterverarbeiten zu monokristallinen Siliziumzellen verwendet werden. Bei der Herstellung von polykristallinen Zellen entfällt der Prozess der Herstellung von Einkristallstäben. Diese sind dadurch billiger in der Herstellung, erreichen aber einen geringeren Wirkungsgrad.[21]

monokristalline Zelle	polykristalline Zelle

[22]

Silizium, welches zur Herstellung von Solarzellen geeignet ist, wird mit Hilfe der carbothermischen Reduktion von Quarzsand gewonnen.

Dieses Bild zeigt den Prozess, bei dem Quarzsand (SiO2) zusammen mit Kohle in einem Lichtbogenofen bei etwa 1600°C eingeschmolzen wird.

Dabei kommt es zu folgender Elementarreaktion:

SiO₂ + 2C + 14 kWh/kg-Si à Si + 2 CO

Das hier entstandene flüssige Silizium ist zu 98 % rein von Fremdstoffen.[24]

Nach der Anwendung von verschiedenen Destillationsverfahren und Säurebehandlungen, ist das Silizium zu fast 100 % rein und kann zu polykristallinen Solarzellen weiterverarbeitet werden.

Um monokristallines Silizium zu erhalten kommen zwei verschiedene Verfahren zur Anwendung.

Entweder es wird direkt aus einem Schmelztiegel mit hochreinem Silizium gezogen (Czochralski-Verfahren) oder man führt polykristallines Silizium durch ein Heizelement, wo seine Kristallstruktur mit einem Hochfrequenzgenerator neu angeordnet wird.[25]

Diese Bilder zeigen die Herstellungsverfahren von monokristallinem Silizium.

Kristalline Siliziumzellen haben eine relativ schlechte Absorptionsfähigkeit. Dadurch müssen sie vergleichsweise sehr dick hergestellt werden. Um die Absorptionsfähigkeit einer Solarzelle zu erhöhen wird diese üblicherweise mit einer Antireflexionsschicht versehen. Im Normalfall besteht diese aus Titandioxid. Bei Siliziumzellen lässt sich so der Reflektionsanteil von 30% auf 10% verringern. (Bei 90%iger Absorption würde eine Materialdicke von 0,1 mm benötigt.) Durch diese Beschichtung erhält die Solarzelle auch ihre dunkelblaue bis schwarze Farbe.[27]

Die erste Siliziumsolarzelle stammt aus dem Jahr 1954 und wurde von der amerikanischen Firma Bell produziert. Seit 1964 kommen Solarzellen auch im Weltraum zum Einsatz. Unter diesen Extrembedingungen kann es durch Sonnenwinde zu Fehlern im Halbleitermaterial kommen. Man nennt dies radiation damage.[28]

In den achtziger Jahren begann man sich mit dem Problem zu beschäftigen, dass konventionelle Solarzellen aus Silizium zu teuer und zu schwer für den alltäglichen Einsatz sind. Eine Lösung erhoffte man sich in der Dünnschicht-Solarzelle aus amorphem Silizium.

Der Unterschied einer Dünnschichtzelle zu einer konventionellen Solarzelle ist, dass sie nicht aus massivem Halbleitermaterial besteht, sondern als eine Halbleiterschicht auf einem Trägermaterial wie zum Beispiel Glas aufgebaut ist.

Amorphes Silizium besitzt keine Kristallstruktur und nur bei einer Nahbereichsbetrachtung lässt sich eine Ordnung in der atomaren Struktur erkennen. Amorphes Halbleitermaterial wird in gasförmigem Zustand zusammen mit Fremdatomen auf ein Trägermaterial aufgetragen, wodurch sich die Dotierung von alleine ergibt. Der Vorteil sind die relativ geringen Produktionskosten solcher Zellen. Der Nachteil ist dass bei größeren Modulflächen Schwankungen im Wirkungsgrad auftreten, weshalb amorphes Silizium vorwiegend in Taschenrechnern und Armbanduhren zum Einsatz kommt. [29]

Amorphe Zelle

[30]

Für die Herstellung dieser Zellen wird bei vermindertem Druck unter einem elektrischen Feld eine gasförmige Siliziumverbindung zersetzt. Das Silizium schlägt sich meist zusammen mit Wasserstoff auf dem Trägermaterial nieder. Der Wasserstoff sättigt dabei freie Verbindungen und stabilisiert damit das Material. Die Dotierung erfolgt hierbei durch die Zugabe von Phosphin (PH3) und Diboran (B2H6). Der Schichtaufbau ergibt sich beim Niederschlag von selbst.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich als Trägermaterial sowohl Metallfolien als auch Glas eignen. Dadurch ist es möglich Zellen aus mehreren Schichten mit verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten herzustellen und so höhere Wirkungsgrade zu erzielen. [31]

Dieses Bild zeigt die einzelnen Produktionsschritte einer amorphen Siliziumzelle.

Bei Solarzellen aus Kupfer-Indium-(Gallium-)Diselenid handelt es sich ebenfalls um Dünnschichtzellen. Mittlerweile gibt es verschieden Produktionsanlagen dieser Zellen (Fa. Würth, Fa. Sharp). Die Besonderheiten dieser Zellen sind zum einen, dass sie eigenleitend sind, also nicht dotiert werden müssen und zum anderen, dass der Bandabstand von der Galliumkonzentration im Material abhängig ist und so an das lokal häufigste Farbspektrum angepasst werden kann.[33]

Im Gegensatz zu Zellen aus Silizium decken diese ein viel größeres Spektrum ab.

 

 

Auf der linken Graphik sieht man das Lichtspektrum, welches von Silizium als Halbleitermaterial abgedeckt werden kann. Im Vergleich dazu zeigt die rechte Graphik die Bandlücke von Gallium. Wie man sieht reicht diese bis über eine Wellenlänge von 1500 nm hinaus. Dafür lässt sich die Intensität der Strahlung mit Silizium besser ausnutzen.

Der Nachteil dieser Dünnschichtzellen ist, dass als Halbleiterschicht auch Cadmiumsulfid verwendet wird. Da dies hochgiftig ist, ist die Serienproduktion erst möglich wenn andere Materialien hierfür gefunden worden sind. Der im Labor erreichte Wirkungsgrad beträgt  ca.15 %.[35]

Kupfer-Indium-Gallium-Diselenidzelle

[36]

Bei diesem Zellentyp sind allerdings noch keine Kostenvorteile gegenüber Siliziumzellen erkennbar, was größtenteils an der Seltenheit von Indium liegt.

Die höchsten Wirkungsgrade werden zur Zeit in der Raumfahrttechnik mit Galliumindiumphosphid, Galliumarsenid und Germanium Zellen erreicht. Genau wie Siliziumzellen gehören auch sie zu den III-V Verbindungshalbleitern. Das heißt sie sind mit Elementen der Hauptgruppen III und V dotiert.

Diese Zellen haben einen sehr aufwendigen aber effektiven Aufbau. Es handelt sich hierbei um Konzentrator-Photovoltaik-Systeme. Dies funktioniert folgendermaßen: Das einstrahlende Sonnenlicht wir mit Hilfe von Linsen gebündelt und auf sehr kleine Solarzellen projiziert. Diese Zellen bestehen aus drei Schichten aus den jeweils oben genannten Materialien. Jede Schicht absorbiert ein bestimmtes Lichtspektrum und ist für die anderen durchlässig.

Die Produktion ist kompliziert und kostenaufwendig, das verwendete Material aber sehr leicht. Der Wirkungsgrad kann bei bis zu 35 % liegen, wodurch sich diese Zellen ideal zur Verwendung im Weltraum eignen.[37]

Auch auf der Erde könnten Konzentratorzellen eingesetzt werden. Die Concentrix Solar GmbH hat dazu das FLATCON®-Modul entwickelt. Dieses besteht aus einer Glasbox, an deren Oberseite 4 Quadratzentimeter große Linsen das Sonnenlicht um den Faktor 500 konzentrieren. Und auf an der Unterseite angebrachte Solarzellen lenken.

Der Nachteil hierbei ist, dass die FLATCON®-Module mit einem Tracker exakt nachgeführt werden müssen, um den konzentrierten Lichtkegel immer in der Mitte der Zellen zu halten.

Eine Kostenanalyse hat ergeben, dass sollte die Concentrix Solar GmbH Erfolg haben, könnte an den richtigen Standorten in Spanien ein Kostenvorteil von 15 % gegenüber normalen Siliziumzellen entstehen. Und in den Wüsten Nordafrikas und den USA sogar bis zu 20 %.[39]

Weitere in der Entwicklung befindliche Zellentypen sind die Dünnschichtzelle aus Cadmium-Tellurid, welche ebenfalls das Problem des giftigen Cadmium mit sich bringt.

Und die Farbstoffzelle aus Titandioxid. Diese soll sehr kostengünstig werden, kann aber noch nicht mit hohen Wirkungsgraden überzeugen. Durch ihre transparente Form könnte sie allerdings auf ganz neue Arten der Gebäudeintegration eingesetzt werden.[40]

[41]

Auf der Tabelle sind ein paar Mittelwerte für die jährliche Globalstrahlung in verschiedenen Städten weltweit angegeben. Für eine Anlage in Deutschland kann man auf speziellen Karten, die man zum Beispiel bei den Herstellern von Solarmodulen einsehen kann, die Intensität der Globalstrahlung ablesen.

[42]

[43]

[48]

[51]

Die Flachdachmontage bietet alle Vorteile, die man für die ideale Ausrichtung einer Solaranlage nutzen kann. Man benötigt zwar eine spezielle Tragkonstruktion, um den Neigungswinkel bei idealen 37° zu halten, aber dafür ist eine exakte Südausrichtung möglich, wodurch die Sonneneinstrahlung hier am effizientesten genutzt werden kann.

[56]

Die Solarfassade hat einen großen Nachteil, was den Neigungswinkel betrifft. Sie hat immer eine Neigung von 90° weshalb sie immer möglichst genau nach Süden ausgerichtet werden sollte.

Die Verschattung dagegen kann beliebig geneigt werden, muss aber auf einer Massiven Tragekonstruktion angebracht werden, da sie sowohl Wind, als auch Schneelasten selbst tragen muss.[57]

[59]

Dieses Bild zeigt den typischen Aufbau eines Inselnetzes. Die Solaranlage produziert Strom, welcher in das interne Netz eingespeist wird. Aller Überschuss wird nach Möglichkeit gespeichert. Da es sich bei dem eingespeisten Strom um Gleichstrom handelt, müssen entweder nur Gleichstromverbraucher angeschlossen sein oder ein Wechselrichter zwischengeschaltet werden.

Inselnetze können also als Gleichstrom- oder als Wechselstromnetzwerke aufgebaut sein. Es sind allerdings auch kombinierte Anlagen mit beiden Verbrauchertypen möglich. Weiterhin können sie in Kombination mit Windgeneratoren zur Erhöhung der Versorgungssicherheit eingesetzt werden.[60]

Inselnetze sind Eigenerzeugungsanlagen und müssen auf dem Markt auch mit solchen verglichen werden. Betrachtet man hierbei die laufenden Kraftstoffkosten von zum Beispiel Dieselaggregaten, so ist eine Inselnetzanlage auch von der wirtschaftlichen Seite konkurrenzfähig.

Das Hauptanwendungsgebiet ist momentan die Versorgung von Häusern in wärmeren Ländern oder sehr abgelegenen Gebieten, sowie die Energieversorgung von Parkscheinautomaten, Verkehrsüberwachungssystemen und vereinzelt Beleuchtung von Bushaltestellen.

Bei Inselnetzanlagen ist eine genaue Planung um so wichtiger. Eine genaue Erfassung des Energiebedarfs ist hier unumgänglich, damit die Anlagengröße auf den Verbrauch angepasst werden kann.[61]

[64]

[66]

Bei der Volleinspeisung wird der gesammte erzeugte Strom über einen Einspeisezähler ins Versorgungsnetz eingespeist und vergütet. Der im Haus benötigte Strom läuft über einen separaten Bezugszähler und wird normal abgerechnet.

[68]

Verschiebung der Arbeitspunkte abhängig von Sonneneinstrahlung und Temperatur [70]

Ebenfalls wichtig zum Betrieb eines Wechselrichters ist, dass er den Anforderungen des VDEW (Verband der Elektrizitätswirtschaft) entspricht. Das heißt, um die Sicherheit von Arbeiten am Versorgungsnetz zu gewährleisten, müssen Eigenerzeugungsanlagen jederzeit vom Netz getrennt werden können. Ansonsten bestünde die Gefahr, das sich zum Beispiel bei Reparaturen ein Inselnetz in einem abgeschalteten System bildet. Der Wechselrichter muss also einen Inselnetzbetrieb erkennen können um das zu verhindern.

Dieses Problem betrifft hauptsächlich die Hersteller von netzkopplungsfähigen Wechselrichtern, dennoch sollte beim Kauf darauf geachtet werden, dass diese Funktion vorhanden ist.[71]

Außerdem muss ein Wechselrichter den eingespeisten Strom mit dem Versorgungsnetz synchronisieren. Wenn die Netzspannung oder Frequenz außerhalb der für den Wechselrichter zulässigen Bereiche liegt, muss sich dieser sofort vom Netz trennen, bis die erforderlichen Messwerte wieder übereinstimmen.[72]

Einspeisevergütung für Photovoltaik nach dem EEG bis 2007 [76]

Nach der Regelung von 2004 stieg die Nachfrage von Photovoltaikanlagen sehr stark an, was zunächst dazu führte, dass die Anbieter von Anlagenkomponenten diese nicht unmittelbar decken konnten, was wiederum zu einigen negativen Beurteilungen des EEG führte. Man erkannte allerdings auch, dass das EEG gute Rahmenbedingungen für langfristige Förderprogramme bot.[77]

1.	Gefördert werden:	Errichtung, Erweiterung oder Erwerb von kleineren Photovoltaikanlagen durch Privatpersonen, gemeinnützige und gewerbliche Antragsteller, Freiberufler und Landwirte.
2.	Finanzierungsanteil:	bis zu 100% der Investitionskosten, Kombination mit Fördermitteln anderer Anbieter möglich, Mitfinanzierung der im Programm geförderten Photovoltaikanlagen aus anderen KfW- oder ERP-Programmen nicht möglich.
3.	Kreditbetrag:	maximal 50.000€
4.	Kreditlaufzeit:	bis zu 10 Jahre mit mindestens 1 und maximal 2 tilgungsfreien Anlaufjahren, bis zu 20 Jahre mit mindestens 1 und maximal 3 tilgungsfreien Anlaufjahren.
5.	Bereitstellungsprovision:	0,25 % p. M., beginnend 2 Bankarbeitstage und einen Monat nach Zusagedatum für noch nicht ausgezahlte Kreditbeträge.
6.	Tilgung:	während der tilgungsfreien Jahre: alleinige Zahlung der anfallenden Kreditzinsen, danach: gleich hohe vierteljährliche Annuitäten, vorzeitige Tilgung jederzeit ganz oder teilweise möglich.
7.	Auszahlung:	erfolgt zu 96 %, abrufbar unmittelbar nach der Zusage oder zu einem späteren Zeitpunkt.
8.	Sicherheiten:	Form und Umfang werden im Rahmen der Kreditverhandlung zwischen Antragstelle und Hausbank vereinbart
9.	Antragsweg:	Antragstellung erfolgt immer über eine Hausbank, Wichtig: zuerst der Antrag, dann die Investition!
10.	Konditionen:	Fester Zinssatz für 5 oder 10 Jahre

1. SE1: Silizium-Photovoltaik

(Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis)

2. SE2: Heterogene Materialsysteme

(hochabsorbierende Verbindungshalbleiter)

3. SE3: Technologie

(Prototyp von Dünnschichtsolarzellen)

4. SE4: Dynamik von Grenzflächenreaktionen

(III-V Halbleiter)

5. SE5: Solare Energetik

(Photoelektrochemie, Photokatalyse, Neue Energiesysteme)

6. Arbeitsgruppe: Elektronische Struktur von Halbleitergrenzflächen

(Organische Halbleiter und Bauelemente)

SE1 Silizium-Dünnschichtsolarzellen aus Glas:

Mit Dünnschichtsolarzellen aus Silizium können noch beachtliche Kostenreduzierungen erreicht werden. Monokristalline und polykristalline Zellen bestehen komplett aus Silizium und sind deshalb relativ teuer. Dünne Siliziumfilme auf kostengünstigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Glas, hatten bisher zu komplexe Herstellungsmethoden oder eine zu geringe Zellenleistung.

Dieses Forschungsprojekt zielt auf die Entwicklung von einfachen Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem Silizium auf Glas (anstelle des bisher verwendeten amorphen Silizium auf Glas). Damit könnten im Bereich der Dünnschichtzellen auf dem Markt erstmals Wirkungsgrade von bis zu 15 % erreicht werden. (Amorphes Silizium erreichte in Labors bisher einen Wirkungsgrad von 14 % und ist auf dem Markt mit Zellen im Bereich von 6-8 % vertreten.) Das größte Problem für diesen Herstellungsprozess ist das epitaktische Wachstum von Silizium bei Temperaturen von unter 600°C zu erreichen um das verwendete Glas nicht zu beschädigen.[82]

SE2 Heterogene Halbleitermaterialien:

Heterostrukturen sind die Grundlage der Festkörperphysik. Das heißt Heterostrukturen aus mehreren Festkörpern erlauben:

·        Kombination von geeigneten Festkörpereigenschaften

·        Passivierung von Grenzflächenzuständen

·        Kombination von organischen und anorganischen Festkörpern

Mit Heterostrukturen aus Silizium lassen sich zum Beispiel Siliziumarten herstellen, deren Gasphasenabscheidung schon bei Temperaturen unter 300°C erfolgt. Damit wäre diese Heterostruktur für Dünnschichtzellen aus Glas geeignet. Diese Silizium Heterostruktur ließe sich auch direkt auf temperatursensitive Siliziumwafer aufbringen, wodurch man Hocheffizienzzellen mit Wirkungsgraden bis zu 24 % erreichen könnte.[84]

Weitere Forschungsziele dieser Abteilung sind:

   1. Die Herstellung von cadmiumfreien Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In, Ga)(S, Se)2.
   2. Die Herstellung von Cu(In, Ga)S2 und CuGaSe2-Solarzellen mit hohen Leerlaufspannungen.
   3. Die Entwicklung einer infrarot-transparenten Solarzelle als Frontzelle für Tandemstrukturen.
   4. Die Herstellung von Prototypen neuer Solarzellenkonzepte wie, die hoch strukturierte ETA-Zelle mit extrem dünnem Absorber und die organischen Solarzellen.[85]

SE3 Technologie von Solarzellen und Modulen:

Um neuartige Solarzellen bauen zu können ist es notwendig neue Technologien und Herstellungsprozesse zu entwickeln und zu verbessern. Diese Abteilung des HMI beschäftigt sich daher ausschließlich mit den Anwendungsproblemen der Dünnschichtzellentechnologie.

Dazu steht den Forschern eine eigene Präparationslinie für Dünnschichtmodule zur Verfügung. Diese ist so ausgelegt, dass feste und flexible Trägermaterialien mit neuartigen Methoden behandelt werden können. Die hier entstandenen Solarzellen haben eine Größe von etwa 10cm x 10cm. Im Moment liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Verbesserung von CuInS2 Zellen.[86]

Dieses Bild zeigt den Herstellungsprozess von Kupfer Indium Diselenidzellen, welcher von der Abteilung SE3 effizienter gemacht werden soll.

Weitere Ziele dieser Abteilung sind:

   1. Entwicklung hochproduktiver Depositionsverfahren und Verkapselungstechniken.
   2. Untersuchung von Prozessstabilität und Langzeitstabilität der Bauelemente.
   3. Methodenentwicklung für In-situ-Prozeebeobachtung und Qualitätskontrolle.
   4. Identifikation von Defektmechanismen.[88]

SE4 Dynamik von Grenzflächenreaktionen:

In dieser Abteilung des HMI wird mit verschiedenen Messtechniken die günstigste Präparationstechnik für bestimmte Solarzellentypen bestimmt und deren Potential für den Markt ermittelt. Vor allem Solarzellen mit Wirkungsgraden über 30 % werden hier immer interessanter. Diese sind aber meistens mit sehr kostspieligen Verfahren und Materialien entwickelt.

Deshalb arbeitet die Abteilung hauptsächlich daran kostengünstigere Substrate auf Siliziumbasis für diese Art Zellen zu entwickeln und neue Produktionsverfahren mit Hilfe von MOCVD-Reaktoren (thermische Zersetzung von metallorganischen Verbindungen in der Gasphase) zu testen.[89]

SE5 Solare Energetik:

Die Abteilung für Solare Energetik beschäftigt sich besonders mit der Erschließung neuer Materialien. Dabei gilt Kompatibilität mit der Umwelt, schonender Umgang mit Rohstoffen und kostengünstige Herstellung als besonders wichtig.[90]

Untersucht werden hierbei:

   1. Nano-Komposit-Solarzellen, die wegen kinetisch limitierter Ladungstrennung niedrige Ansprüche an die Materialqualität stellen. Als Absorber werden MoS2- und WS2-Teilchen bevorzugt, welche als d-Band-Materialien inhärent photostabil sind. Mechanismen kinetischer Irreversibilität werden erarbeitet.
   2. Titan-basierte photovoltaische Brennstoff-Membranen, welche ohne Stromsammlung und mit einer integrierten, vereinfachten CIS-Struktur Licht direkt in Wasserstoff für Brennstoffzellen umwandeln.
   3. Katalysatoren für Brennstoffzellen, welche auf Edelmetalle verzichten und an ihrer Stelle Eisen, Kobalt und ähnlich häufige Übergangsmetalle nutzen können.
   4. Die Erschließung neuer Energiesysteme nach biologischem Vorbild unter Verfolgung bionischer Strategien (tensile Wassertechnologie, CO2-Fixierung über solar mit Energie versorgte autotrophe Bakterien).
   5. Elektrochemische bzw. In-situ-Mikrowellen-Optimierung von Grenzflächen.
   6. Bionische Forschung zur Erschließung kostengünstiger Versiegelungs- und Kühlungstechnologien für Solarzellen.[91]

Arbeitsgruppe Elektronische Struktur von Halbleitergrenzflächen:

Diese Arbeitsgruppe des HMI hat die Optimierung von Bauelementen zum Ziel. Dazu werden diese auf strukturelle, chemische und elektronische Eigenschaften auf atomarem Niveau untersucht. Die Aufklärung von Unterschieden zwischen theoretischen Modellen und realen Solarzellenstrukturen ist der Arbeitsgruppe dabei sehr wichtig.[92]

Weitere Ziele sind:

   1. Die In-situ-Analyse der schrittweisen Deposition von Solarzellschichten.
   2. Der Einsatz mikrospektroskopischer Methoden für die Untersuchung lateraler Inhomogenitäten (XPEEM).
   3. Die Untersuchung technologisch relevanter Depositionsprozesse und deren Analyse.
   4. Die Erforschung chemischer Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Absorber- und Pufferschicht sowie zwischen Puffer- und Fensterschicht.
   5. (Längerfristig) Die Entwicklung stabiler, elektronisch angepasster Pufferschichten für Multispektralzellen anhand von Modellsystemen.[93]

Das Fraunhofer ISE ist das größte Solarforschungsinstitut Europas. Neben der Erforschung der naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen der Solarenergienutzung und Entwicklung von Prototypen baut das Fraunhofer ISE auch Demonstrations- und Testanlagen.[94]

Zu den Forschungsarbeiten gehören so auch Simulation und Planung, um Klimafaktoren und Nutzungsanforderungen, Kostensenkungspotentiale und Schwachstellen, so wie Optimierungsmöglichkeiten zu erkennen.[95]

Kleinere Forschungsbereiche wie die Optimierung von netzunabhängigen Beleuchtungssystemen, durch Erforschung von Leuchtmitteln und Reflektoren oder Bewältigung von großen Schwankungen von Umgebungstemperatur oder Betriebsspannung,[96] gehören genauso zu den Arbeiten wie die Erforschung von neuen Techniken zur Kostensenkung von solarelektrischen Kraftwerken, wie zum Beispiel die Konzentratorphotovoltaik.[97]

Die wichtigsten Forschungsbereiche sind:

   1. Zellkonzepte
   2. Fertigungsprozesse
   3. Epitaktische, Farbstoff und Organische Solarzellen
   4. Solarzellenanalyse und Modellierung
   5. Systeme zur netzunabhängigen Stromversorgung

1. Zellkonzepte:

Das Ziel dieser Forschungsabteilung ist die Senkung von Materialverbrauch und gleichzeitiger Leistungssteigerung und Kostensenkung. Dabei werden Materialien wie Kristallines Silizium, Farbstoffe und organische Stoffe verwendet.

Das Hauptziel ist die Entwicklung von neuen Zellstrukturen mit möglichst hohen Wirkungsgraden. Das Fraunhofer ISE hat dabei mehrere Rekorde mit Zellen aus multikristallinem Silizium aufgestellt.[98]

Wie beim Hahn-Meitner Institut liegt auch hier einer der Schwerpunkte auf der Kombination von kristallinem Silizium und Dünnschichtsolarzellen.[100]

2. Fertigungsprozesse:

Über die genauen Abläufe der Fertigungsprozesse am Fraunhofer ISE ist zur Zeit noch nicht viel veröffentlicht. Es handelt sich hierbei um Prozesse wie homogene und selektive Diffusion, Oxidation, nasschemisches Ätzen, Plasma- und Kathodenzerstäubung und Laserbehandlung.

3. Epitaktische, Farbstoff und organische Solarzellen:

Zu den am Fraunhofer ISE hergestellten Solarzellentypen gehören auch Zellen aus epitaktischen Schichtsystemen, die auf verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Verwendet wird das Ganze bei Tripel- und Tandemzellen oder bei der Konzentratorphotovoltaik. Diese Zellen erreichen Wirkungsgrade über 30 %, werden bisher aber fast ausschließlich im Weltraum eingesetzt.[101]

Zu den Zellprototypen am Fraunhofer ISE gehören unter anderem auch Farbstoffzellen und organische Solarzellen. Diese sind noch nicht auf dem Markt erhältlich, da ihr Wirkungsgrad derzeit noch sehr gering und die Langzeitstabilität noch nicht getestet ist.

Die Farbstoffzelle ist einfach zu produzieren, da die dafür notwendigen Technologien bereits bei der industriellen Verabreitung von Glas verwendet werden. Da sie Teiltransparent sind und verschiedene Farben haben können sind Farbstoffzellen sehr flexibel einsetzbar.

Die Funktionsweise einer Farbstoffzelle ist im Gegensatz zu bisherigen Solarzellenkonzepten grundlegend anders. Hier wird ein Elektronen injizierender metall-organischer Farbstoffkomplex auf die Oberfläche eines nanokristallinen Titanoxidfilms aufgebracht.

Die Photoanregung erfolgt wie bei allen Solarzellen durch Photoneneinstrahlung. In der Farbstoffschicht entstehen durch Oxidation der Farbstoffmolekühle Löcher, die zur Gegenelektrode (Titanoxidfilm) transportiert werden.

Das Herstellungsverfahren für Farbstoffzellen ist am Fraunhofer ISE entwickelt worden. Da deren Wirkungsgrad im Moment bei idealen Voraussetzungen bei etwa 5 % liegt, ist das vorrangige Ziel des Fraunhofer ISE neue Elektrolyte zu finden und die Versiegelungstechniken dementsprechend anzupassen und zu verbessern.[104]

Ebenfalls zu den Entwicklungen des Fraunhofer ISE gehört die so genannte ITO-freie invertierte organische Solarzelle.

Auch bei diesem Zellentyp erwartet man viel versprechende Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören, wie bei allen anderen Zellentypen, auch niedrige Produktionskosten aber auch mechanische Flexibilität.

Die Flexibilität dieser Zellen bietet natürlich vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Problem ist allerdings, dass noch keine Anlagen zur Massenproduktion für derartige Zellen existieren und die Herstellungskosten deshalb sehr hoch sind.

Zur Zeit gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, wie eine organische Solarzelle aufgebaut sein kann.

Beim so genannten Standardaufbau wird die Zelle auf einem, mit leitfähigem Indium-Zinn-Oxid (ITO) behandelten Glassubstrat hergestellt. Darauf wird eine Schicht aus organischem Material aufgebracht, dass die Kontakteigenschaften verbessern soll. Als Absorberschicht dient ein Kompositmaterial, welches aus einem Polymer (Elektronendonator) und einem Fullerenderivat (Elektronenakzeptor) besteht. Die Gegenelektrode besteht aus Aluminium.

Die andere Möglichkeit ist die am Fraunhofer ISE entwickelte ITO-freie Zelle. Bei dieser ist die ITO-Elektrode durch eine transparente Polymerelektrode ersetzt worden. Der zweite Unterschied ist, dass bei der ITO-freien Elektrode die Schichtreihenfolge invertiert wurde um die Herstellung effizienter zu machen. Weiterhin wurde diese Zelle auf einem metallisierten Substrat aufgebracht, wodurch sie flexibel bleibt und die abschließende Vakuumbehandlung nicht mehr erforderlich ist.[106]

4. Solarzellenanalyse und Modellierung:

Diese Abteilung beschäftigt sich mit der Analyse von Solarzellen aus der industriellen Produktion. Dies beinhaltet auch einfache Servicemessungen und kann von jedem in Anspruch genommen werden. Die Messungen sollen bei der quantitativen Verlustbestimmung der Solarzellen helfen und so die nötigen Informationen zur Verbesserung der Gesamtanlage geben.

Für die nötigen Messungen stehen hierbei drei am Fraunhofer ISE entwickelte Geräte zur Verfügung.

Es gibt die Möglichkeit mit Hilfe eines Filtermonochromator die gesamte Zellfläche zu messen, oder mit dem Gittermonochromator kleinste Punktmessungen durchzuführen. Bei diesen Messungen wird ein Reflexionsbild der Solarzelle erstellt, dass in etwa so aussieht:[107]

Eine Solarzelle soll nach Möglichkeit keine oder nur wenig Strahlung reflektieren. Alle Strahlung soll absorbiert werden. Wo dies nicht der Fall ist zeigt der Filtermonochromator rote Flecken an.

Ein weiteres Gerät des Fraunhofer ISE ist das SR-LBIC (Spectrally Resolved Light Beam Induced Current), mit dem sich inhomogene Bereiche im Zellenmaterial feststellen lassen.

Ebenfalls vom Fraunhofer ISE stammt das ILIT (Illuminated Lock-In Thermography), welches dazu dient die Leistungsverluste unter Betriebsbedingungen zu bestimmen.

Verwendet wird außerdem noch das SRI (Sheet Resistance Imaging) zur optischen Messung von Schichtwiderständen in diffundierten Wafern, der Halbleitersimulator DESSIS und das 3D-Strahlvervolgungsprogramm RAYN.[109]

5. Systeme zur netzunabhängigen Stromversorgung:

Im Bereich netzunabhängige Stromversorgung entwickelt das Fraunhofer ISE autonome Stromversorgungssysteme die auf Photovoltaik, Brennstoffzellen, Wind- und Wasserkraft aufgebaut sind.

Die entwickelten Geräte reichen von tragbaren Geräten bis zur kompletten Versorgung von Dörfern.[110]

Allein in Europa gibt es etwa 300.000 Häuser ohne Anschluss an das öffentliche Netz. Um auch den Bewohnern dieser Häuser eine sichere Stromversorgung zur Verfügung stellen zu können hat das Fraunhofer ISE mehrere Testanlagen gebaut, bei denen Hybridsysteme verwendet werden. Die Möglichkeiten reichen von Photovoltaikanlagen mit unterstützendem Motorgenerator bis zu Photovoltaikanlagen mit kombinierter Windkraftanlage. Das größte Problem von Inselnetzen ist das Winterloch, das von Solaranlagen allein nicht ausgeglichen werden kann.

Auch Einzelkomponenten wie Batterien, Laderegler, Wechselrichter und Ladegeräte können in den Labors des Fraunhofer ISE auf ihre Eignung für den Inseleinsatz untersucht werden. Dabei werden Wirkungsgrad, Wartungsbedarf und elektromagnetische Verträglichkeit besonders berücksichtigt.[112]

Das Institut für solare Energieversorgungstechnik Kassel (ISET) ist ein Verein zur Erforschung von solaren Versorgungsmöglichkeiten der Universität Kassel.

Das ISET befasst sich mit der anwendungsorientierten Forschung in der theoretischen Arbeit und der experimentellen Untersuchung, aber auch mit der gerätetechnischen Entwicklung. Dabei geht es zum großen Teil um die Kompatibilität mit anderen Energieträgern, also Hybridsysteme mit Windenergie, Bioenergie oder Wasserkraft. Alle so entstandenen Ergebnisse werden durch Beratungs- und Lizenzaufträge und durch Personaltransfer der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.[113]

Das ISET wurde 1988 als eingetragener Verein der Universität Kassel gegründet. Seit 1990 hat es seinen festen Sitz in der Nähe der Kasseler Hochschule. 1998 kam ein Design Zentrum für modulare Versorgungstechnik(DeMoTec) hinzu.

Seit 1995 gibt es außerdem einen zweiten ISET Standort in Hanau. Dieser beschäftigt sich Hauptsächlich mit der Biomassenutzung und ergänzt das ISET Programm um einen weiteren Bereich der erneuerbaren Energieversorgung.[114]

Als Verein hat das ISET laut Gesetz eine Satzung zu formulieren um die Vereinsziele klar zu definieren. Die Hauptpunkte lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

• Erarbeitung und Verwertung von Erkenntnissen zur Gestaltung umweltschonender Energieversorgungssysteme,

• Förderung des Übergangs zwischen Forschung und Anwendung durch vorindustrielle Entwicklung, Verfahren zum Anlagenentwurf, Demonstrationsvorhaben, Weiterbildung und Beratung,

• Förderung der Nutzung, der am Institut betriebenen Forschung, insbesondere durch die mittelständische Industrie der Region,

• Förderung der Ingenieurausbildung in Kooperation mit Hochschulen - insbesondere der Universität Kassel -, Forschungsinstitutionen und der Industrie.

Satzungsgemäß kann das Institut auch weitere Aufgaben aus dem Bereich der Energietechnik sowie verwandten Forschungs- und Entwicklungsgebieten übernehmen, soweit sie mit o. g. Zwecken in Verbindung stehen. Die Ergebnisse der im Institut durchgeführten Forschungsarbeiten werden veröffentlicht oder der Allgemeinheit auf andere Weise zugänglich gemacht.[115]

Das ISET zählt dabei die Kostenreduktion und Verbesserung der technischen Qualität diverser Produkte und die Beschleunigung der technischen Entwicklung und Verbreitung neuer Technologien zu seinen übergeordneten allgemeinen Zielen. Ebenfalls zu den Zielen des ISET sind die folgenden Punkte genannt:

• Erarbeitung ingenieurwissenschaftlicher Grundlagen: Vertiefung des Verständnisses technischer Zusammenhänge sowie Entwicklung allgemein verwendbarer Methoden und Vorgehensweisen
• Langfristig wirksame FuE: Entwicklung neuer Ideen und Ansätze sowie technische Systemanalyse Unterstützung industrieller Produktentwicklung: Durchführung gemeinsamer Entwicklungsarbeiten mit Firmen (Geräte, Systemkomponenten, Software) sowie Infrastrukturbereitstellung für die Industrie (DG Test- und Prüfzentrum)
• Normung und Zertifizierung: Erarbeitung von Normen, Zertifizierungsgrundlagen und Standards sowie Prüfung und Zertifizierung von Komponenten und Systemen
• Demonstration und Consulting: Nachweis der Machbarkeit und Demonstration technischer Möglichkeiten sowie Beratung von Herstellern und Betreibern bei der Lösung aktueller technischer Probleme
• Aus- und Weiterbildung: Ausbildung qualifizierten Personals für Industrie und Forschung (Personaltransfer, Ausgründungen) sowie Qualifikation von Entscheidungsträgern, Betreibern usw. (Fortbildungskurse und Lehrmittel)
• Monitoring der Technik: Breitentestprogramme, Evaluation von Systemkomponenten sowie Informationsverbreitung
• Evaluation technischer Möglichkeiten: Empfehlungen an die Politik zur Gestaltung ökonomischer und gesetzlicher Rahmenbedingungen
• Integration großer Anteile erneuerbarer Energien und anderer dezentraler Erzeuger in Netze (Wind-, Bio- und Solarenergie, BHKWs usw.)
• Automatisierung und wartungsarmer Betrieb dezentraler Stromerzeugung (insbesondere bei Windkraftanlagen, BHKWs und Biogasanlagen)
• Erschließung neuer Energiewandlungstechnologien für den wirtschaftlichen Einsatz (insbesondere Mikrogasturbinen, Brennstoffzellen und Meeresströmungsturbinen)
• Elektrifizierung mit nachhaltigen, netzkompatiblen, erweiterbaren Hybridsystemen
• (für Schwellen- und Entwicklungsländer und zur autonomen Energieversorgung)
• Ersatz fossiler Brennstoffe durch Biomasse (bei autonomen Hybridsystemen, BHKWs und im Verkehr)
• Entwicklungs-Tools und Entwurfstechniken für elektrische Energieversorgungssysteme (für die Geräteentwicklung, Systemoptimierung und Anlagenplanung)
• Ausbildung qualifizierten Personals (für Forschung, Industrie und Energiewirtschaft) [116]

Um die Praxistauglichkeit von Photovoltaik zu demonstrieren, sind auf dieser Seite Beispielanlagen vorgestellt, die auch tatsächlich existieren.

Damit wollen wir zeigen, dass eine Energieversorgung mit Photovoltaik nicht mehr alleine der Raumfahrt und Labors vorbehalten ist, sondern tatsächlich endlich in den Alltag der Menschen einzieht.

Diese Anlage ist in einem anderen Bereich der Seite sehr ausführlich beschrieben. Hier gelangen sie dorthin.

• Die Anlage kostete, inklusive Montage, aufgerundet etwa 31000€.
• Durchschnittlich hat die Anlage bis jetzt etwa 5300kWh/a geleistet.
• Bis zum 24.2.2009 hat die Anlage 24144kWh Energie in das Netz eingespeist, das sind 1638 Tage. Die HSE zahlt seit Inbetriebnahme 57,6 cent pro kWh.
• Bisher hat die Anlage durchschnittlich an einem Tag etwa 8,50€ erwirtschaftet.

 

Bei gleich bleibenden Abnahmepreis wäre die Anlage nach etwas weniger als 10 Jahren durch eigene Erträge finanziert. Allerdings ist zu beachten, dass die Durchschnittsdaten von 31. August 2004 bis zum 24. Februar verwendet wurden. Es fehlt ein Sommer, also eine zu erwartende Ertragsspitze. Genaue Daten, wann diese Anlage tatsächlich abbezahlt sein wird, wären sehr unzuverlässig, da es wetterabhängig ist und die Preise für den Solarstrom in Zukunft schwanken könnten.

CCF09102009_00004.pdf

 

 

Bei der Photovoltaikanlage, auch Solarstromanlage genannt, handelt es sich um eine Anlage bestehend aus Solarmodulen, die mithilfe der Solarzellen Sonnenstrahlen in elektrische Energie, also Strom, umwandeln. Die Umwandlung selbst wird Photovoltaik genannt, daher auch der Name Photovoltaikanlage. [122]

Die Grundeinheit einer Photovoltaikanlage ist das Solarmodul, mit dem die Sonnenstrahlen aufgefangen und in elektrische Energie (Strom) umgewandelt werden. Die Solarmodule bestehen wiederum aus zahlreichen Solarzellen, die elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Solarmodule selbst werden zu einem Solargenerator verbunden.

Da der durch die Solarzellen produzierte Gleichstrom nicht für die Nutzung von Haushalten geeignet ist, wird dieser über Gleichstromleitungen zum Wechselrichter geführt und dort in Wechselstrom umgewandelt. Der Wechselstrom kann jedoch nicht direkt ins Haus geführt werden, sondern wird im allgemeinen Stromnetz gespeichert. Da dieser Strom nicht von Energiefirmen erstellt wurde, wird der zugeführte Strom über einen zweiten Stromzähler, den so genannten Einspeisungszähler, in kW gemessen, damit sicher gestellt werden kann, dass die Haushalte auch ihren Strom kostenlos zur Verfügung gestellt bekommen, da sie ihn selbst produziert haben.

 

Die Abrechnung erfolgt dann folgendermaßen.

Der Strom aus dem allgemeinen Stromnetz läuft über einen Stromzähler, wie ihn jeder Haushalt hat. Zudem existiert noch ein zweiter Stromzähler, den Einspeisungszähler, der den Strom misst, der ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Wenn der Stromverbrauch größer ist als der eingespeiste Strom, so muss der Haushalt diese Differenz zahlen. Wenn jedoch der eingespeiste Strom größer ist als der Stromverbrauch, so erhält der Haushalt vom Stromanbieter Geld. [124]

Um die Kosten und Erträge einer Photovoltaikanlage zu ermitteln, ist die Anlagenleistung (kWp) enorm wichtig. Kilowatt peak (kWp) beschreibt die optimale Leistung der Photovoltaik Anlage unter genormten Testbedingungen. In Deutschland kann man mit 1kWp – Anlage zwischen 700 und 900 kWh Strom im Jahr erzeugen. Es gab aber auch schon Erträge von 1200 kWh im Jahr. Diese Erträge kann man nur in Süddeutschland bei sonnigen Jahren erreichen.

Vergleich:

Der Stromverbrauch liegt bei einem Vier – Personen – Haushalt im Jahr bei durchschnittlichen 4000 – 6000 kWh. [125]

In unsrer Heutigen Zeit lohnt sich also eine PV – Anlage. Eine PV – Anlage mit 5kWp kostet etwas 22000 €. Die Anlage kann über einen Zeitraum von 20 Jahren steuerlich abgesetzt werden und die Mehrwertsteuern werden auch zurückerstattet. Sind die Schulden nach etwa 10 – 15 Jahren abbezahlt, ist die PV – Anlage eine gute Einnahme Quelle.

Wie hoch die Vergütung für den eingespeisten Strom ist, das geregelt die EEG. Je nach Jahr, in welchem Sie Ihre Anlage installieren, bekommen Sie eine entsprechende Vergütung, welche für 20 Jahre festgelegt ist.
Wenn Sie im Jahr 2009 eine Anlage bis 30 kWh auf Ihrem Dach errichten, erhalten Sie also für 20 Jahre 43,01 Cent / kWh.

 

Einige Unterschiede sind zu beachten:

• Feldanlagen (also auf dem Boden stehend) die 2009 errichtet wurden, werden mit 31,94 Cent / kWh vergütet.
• Anlagen, die an oder auf einem Gebäude angebracht sind und 2009 errichtet wurden, werden mit 43,01 Cent / kWh vergütet.

 

Die wichtigsten Änderungen des EEG ab 2009:

• Bisher betrug die jährliche Degression der deutschen Solarstromvergütung 5%; ab 2009 fällt die Solarstromvergütung pro Jahr dann auf 8%
• Der Bonus für den Bau von Fassadenanlagen (bis Ende 2008 gab es 5 Cent pro eingespeiste kWh extra) fällt ganz weg

Eine gute Übersicht der Änderungen finden Sie hier: 

EEG2009_PV_-_Vergütung.pdf

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Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die aktuelle Vergütung des Stroms (alle Angaben in Cent):

Anlagentyp	2005	2006	2007	2008	2009	2010
Feldanlagen	43,42	40,60	37,96	35,49	31,94	28,75
An oder auf einem Gebäude	54,53	51,80	49,21	46,75	43,01	39,57
Fassadenanlagen (zusätzlich)	5,0	5,0	5,0	5,0	entfällt	entfällt
über 30 kWp	51,87	49,28	46,82	44,48	40,91	37,64
über 100 kWp (ab 2009 bis 1 MWp)	51,30	48,74	46,30	43,99	39,58	35,62

Als Beispiel:

Beispiel 1:
Sie haben 2008 eine Gebäudeanlage errichtet (46,75 Cent) und zwar in die Fassade integriert (+ 5,0 Cent). Sie erhalten eine Vergütung von 51,75 Cent / kWh.
Diese Vergütung erhalten Sie die nächsten 20 Jahre.

Beispiel 2:
Sie errichten 2009 eine Dachanlage mit 40 kWh.
Für ein Drittel der Anlage (=30kWh) erhalten Sie eine Vergütung von 43,01 Cent / kWh. Für das restliche Drittel (10kWh) erhalten Sie 40,91 Cent / kWh.

 

Die Einspeisevergütung des Inbetriebnahmejahres bleibt für Sie 20 Jahre gleich! [126]

Wie in der Einleitung schon erwähnt, wurden die Dachflächen des Darmstadtiums mit 408 Solarmodulen ausgestattet. Diese Solarmodule erzeugen ungefähr 180 Watt Strom pro Modul, also ungefähr 70.000 Kilowattstunden pro Jahr. Diese Energie wird ins Netz der NATURpur-Mutter HEAG Südhessische Energie AG (HSE) eingespeist.

Auf der 564 Quadratmeter großen Fläche wurden nicht wie sonst Solarmodule verschraubt, sondern die Solarmodule wurden auf Aluminiumwannen montiert, die von Betonklötzen gesichert werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Dach des Darmstadtiums wasserdicht bleibt, da in das Dach keine Löcher für die Solaranlage gebohrt werden mussten.

Dank dieser Anlage werden ungefähr 32,5 Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid pro Jahr vermieden.

Diese Photovoltaikanlage wurde von der NATURpur Energie AG installiert und kostete insgesamt um die 400.000 €. Sie ist damit die derzeit größte Photovoltaikanlage der Stadt Darmstadt.

 

Noch mal einen kurzen Überblick über die Anlage:

 

Photovoltaikanlage auf dem Wissenschafts- und Kongresszentrum Darmstadt (darmstadtium)

 

Anlagenleistung:                                            73,44 kWp

Anzahl Photovoltaikmodule:                         408

Fläche Photovoltaikmodule:                         564 m²

Inbetriebnahme:                                             05.10.2007

Stromproduktion:                                           ca. 65.000 kWh/a

CO2-Ersparnis:                                              ca. 32,5 Tonnen/a

Kosten:                                                             rd. 398 TEUR (brutto)

PV_Module_MF_170_-_185.pdf

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Dach A:

Durch eine Reihenschaltung von jeweils18 Modulen pro Strang und 9 parallelen Strängen liefert die Photovoltaikanlage bei maximaler Sonneneinstrahlung für das Dach A ca. 29,2 kW Leistung.

Dabei fließt ein Strom Impp = 67,05 A bei einer Spannung von Umpp = 435,6 V.

• 18 Module in Reihe je Strang (= 18 x 24,2 V) = 435,6 V
• Imax = 9 Stränge x 7,45 A = 67,05 A
• 9 Stränge (à 18 Module) = 162 Module
• Pmax = 9 x 435,6 V x 7,45 A =  29,2 kW
• Pmax = 162 × 180W = 29,1 kW

Dach D links:

Durch eine Reihenschaltung von jeweils 20 Modulen pro Strang und 2 parallelen Strängen liefert die Photovoltaikanlage bei maximaler Sonneneinstrahlung für das Dach D links ca. 21,6 kW Leistung.

Dabei fließt ein Strom Impp = 44,7 A bei einer Spannung von Umpp = 484 V.

• 20 Module in Reihe je Strang (= 20 x 24,2 V) = 484 V
• Imax = 6 Stränge x 7,45 A = 44,7 A
• 6 Stränge (à 20 Module) = 120 Module
• Pmax = 6 x 484 V x 7,45 A = 21,6 kW
• Pmax = 120 × 180W = 21,6 kW

Dach D rechts:

Durch eine Reihenschaltung von jeweils 21 Modulen pro Strang und 2 parallelen Strängen liefert die Photovoltaikanlage bei maximaler Sonneneinstrahlung für das Dach D rechts ca. 22,7 kW Leistung.

Dabei fließt ein Strom Impp = 44,7 A bei einer Spannung von Umpp = 508,2 V.

• 21 Module in Reihe je Strang (= 21 x 24,2 V) = 508,2 V
• Imax = 6 Stränge x 7,45 A = 44,7 A
• 6 Stränge (à 21 Module) = 126 Module
• Pmax = 6 x 508,2 V x 7,45 A = 22,7 kW
• Pmax = 126 × 180W = 22,6 kW

Auf einer Fläche von 564 m² werden so jedes Jahr ca. 73440 kW/h Energie produziert.

Seit Inbetriebnahme der Anlage sind in den 2 Jahren etwa 146880 kW/h Energie produziert worden und rund 66 Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid vermieden worden.

Schaltplan.pdf

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Broschüre-_Wechselrichter.pdf

2.8 M

Auf dem folgenden Bild ist noch mal eine Übersicht über die einzelnen Themengebiete zu sehen, die zuvor ausführlich erklärt wurden. Daran kann man sich noch einen Überblick verschaffen, wie die einzelnen Komponenten zusammenhängen.

[1] Bildquelle: www.bpb.de/wissen/QDNZZC,,0,Verbrauch_von_Prim%E4renergie.html (stand November 2007)

[2] Siehe: www.bpb.de/wissen/QDNZZC,,0,Verbrauch_von_Prim%E4renergie.html (stand November 2007)

[3] Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources_and_consumption (stand November 2007)

[4] Bildquelle: kobra.bibliothek.uni-kassel.de (stand November 2007)

[5] Sinngemäß nach: Sandner S.15

[6] Sinngemäß nach: Sandner S.16

[7] Sinngemäß nach: Sandner S.17

[8] Bildquelle: Multimedia Enzyklopädie 2003

[9] Sinngemäß nach: Sandner S.22

[10] Bildquelle: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[11] Siehe: Sandner S. 23f

[12] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.7

[13] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.8

[14] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.10

[15] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.12

[16] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.12f

[17] Sinngemäß nach: Sandner S. 24

[18] Siehe: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[19] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.63

[20] Siehe: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[21] Sinngemäß nach: Sandner S.26f

[22] Bildquellen: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[23] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.91

[24] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.91

[25] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.78f

[26] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.79

[27] Sinngemäß nach: Sandner S.26f

[28] Mehr dazu: Wagemann & Eschrich S.86

[29] Sinngemäß nach: Wagemann & Eschrich S.140

[30] Bildquelle: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[31] Sinngemäß nach: Sandner S.28f

[32] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.162

[33] Sinngemäß nach: www.tu-chemnitz.de/etit/microtec/lehre/schuelerarbeit_solarneu/ (stand November 2007)

[34] Bildquelle: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[35] Sinngemäß nach: Sandner S.30

[36] Bildquelle: www.solarintegration.de (stand November 2007)

[37] Sinngemäß nach: www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2005.html (stand September 2007)

[38] Bildquelle: www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2005.html (stand September 2007)

[39] Sinngemäß nach: www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2005.html (stand September 2007)

[40] Sinngemäß nach: Sandner S.30f

[41] Tabelle basiert auf Daten von: de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (stand September 2007)

[42] Bildquelle: Wagemann & Eschrich S.16

[43] Bildquelle: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.4 (stand September 2007)

[44] Sinngemäß nach: Sandner S.147ff

[45] Sinngemäß nach: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.10 (stand September 2007)

[46] Bildquelle: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.10 (stand September 2007)

[47] Sinngemäß nach: Sandner S.153f

[48] Bildquelle: www.korona-solar.de/photo.htm (stand Oktober 2007)

[49] Sinngemäß nach: Sandner S.68-73

[50] Bildquelle: www.havelland-solar.de/seiten/photovoltaik.htm (stand Oktober 2007)

[51] Bildquelle: www.korona-solar.de/photo.htm (stand Oktober 2007)

[52] Sinngemäß nach: Sandner S.74-77

[53] Bildquelle: www.solarserver.de/lexikon/solardachziegel.html (stand Oktober 2007)

[54] Bildquelle: www.korona-solar.de/photo.htm (stand Oktober 2007)

[55] Sinngemäß nach: Sandner S.77-82

[56] Bildquelle: www.korona-solar.de/photo.htm (stand Oktober 2007)

[57] Sinngemäß nach: Sandner S.83-86

[58] Quelle für den Teil Trackersystem leider nicht mehr bekannt oder auffindbar. Da der Teil aber zu wichtig ist um einfach weggelassen zu werden, habe ich mich entschlossen ihn trotzdem zu verwenden.

[59] Bildquelle: www.hmsolar.de/inhalt/infos_inhalt.php (stand November 2007)

[60] de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaikanlage (stand November 2007)

[61] Sinngemäß nach: Sandner S.60-62

[62] Siehe auch: Projektbericht Photovoltaikanlage der HEMS von Jens Möller und Maximilian Kerk (23.11.2003)

[63] Sinngemäß nach: Sandner S.57

[64] Bildquelle: systemtec.itool4.net/frontend/index.php (stand November 2007)

[65] Sinngemäß nach: Sandner S.58f

[66] Bildquelle: www.schreiber-haustechnik.de/solarstrom.htm (stand November 2007)

[67] Sinngemäß nach: Sandner S.105

[68] Bildquelle: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.17 (stand September 2007)

[69] Sinngemäß nach: Sandner S.106

[70] Bildquelle: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.12 (stand September 2007)

[71] Sinngemäß nach: Sandner S.110ff

[72] Sinngemäß nach: www.viessmann.at/web/austria/at_publish.nsf/AttachmentsByTitle/fr-photovoltaik.pdf/$FILE/fr-photovoltaik.pdf  S.12 (stand September 2007)

[73] Sinngemäß nach: Sandner S.155f

[74] Sinngemäß nach: Sandner S.200ff

[75] Sinngemäß nach: Sandner S.203f

[76] Bildquelle: Sandner S.204

[77] Sinngemäß nach: Sandner S.157

[78] Sinngemäß nach: Sandner S.173f

[79] Sinngemäß nach: Sandner S.174f

[80] Sinngemäß nach: Sandner S.175f

[81] Bildquelle: www.hmi.de/bereiche/SE/SE1/projekte/duennschicht/index.html (stand November 2007)

[82] Sinngemäß nach: www.hmi.de/pr/druckschriften/solar_energie_flyer.pdf S. 5 (stand November 2007)

[83] Bildquelle: www.hmi.de/bereiche/SE/SE1/projekte/duennschicht/index.html (stand November 2007)

[84] Sinngemäß nach: www.hmi.de/bereiche/SE/SE1/projekte/hetero/index.html (stand November 2007)

[117] Bildquelle: www.darmstadtium.de/index.cfm/content/derArchitekt/pa_li_id/1303.cfm

[118] Bildquelle: www.darmstadtium.de/index.cfm/content/derArchitekt/pa_li_id/1303.cfm

[120] Bildquelle: www.darmstadtium.de/index.cfm/content/das%20element%20darmstadtium/pa_li_id/321.cfm

[121] Bildquelle: de.wikipedia.org/wiki/Darmstadtium_(Kongresszentrum))

[122] Bildquelle: http://sonnendeal.de/html/solaranlage.html

[123] Bildquelle: sonnendeal.de/html/solaranlage.

[124] Sinngemäß nach: http://www.energiesparhaus-ratgeber.de/solarstrom-photovoltaik/aufbau-bestandteile-einer-photovoltaik-anlage-wie-ist-eine-photovoltaikanlage-aufgebaut.php

[125] Sinngemäß nach: http://solaranlagen.org/solarstrom-photovoltaik/kosten-ertraege

[126] Sinngemäß nach: http://www.solaranlagen-portal.de/photovoltaik-solaranlagen/foerderung-kosten/kosten/verguetung-solaranlage.htm

[127] Sinngemäß nach: http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik.html

[128] Sinngemäß nach: http://www.kaco-newenergy.de/de/site//produkte/photovoltaik/netzgebunden/zentralwechselrichter_powador_25000xi-33000xi_park/page/produkte/index_cat04.xml