Einfach Sonnenstrom! So funktioniert eine Photovoltaik-Anlage


Wie kann bloßes Sonnenlicht starken Strom erzeugen? Was auf den ersten Blick kompliziert wirkt, ist in Wahrheit gar nicht so schwierig zu verstehen. Aber bringen wir ganz einfach etwas Licht in die nur auf den ersten Blick dunkle Sache namens „Sonnenstrom“!

Wenn man so will, dann erklärt der Fachbegriff „Photovoltaik“ allein schon die dazugehörige Funktionsweise. Das erste Wort „Photo“ stammt nämlich von dem griechischen Wort „Phos“ ab was schlicht und einfach „Licht“ bedeutet. Das zweite Wort „Voltaik“ hat mit Alessandro Volta, den berühmten italienischen Elektrizitätsforscher, der von 1745 bis 1827 gelebt hat, als Grundlage. Nach ihm wurde auch die Einheit in der Spannung gemessen wird benannt: Volt.  „Photovoltaik“ heißt also etwas frei übersetzt: „Elektrizität aus Licht“. Und das ist auch genau das, was eine Photovoltaikanlage macht. Sie erzeugt aus dem Licht der Sonne sauberen Strom für unsere Haushalte und unsere Wirtschaft. Sie erzeugt Sonnenstrom.

Sonnenstrom aus einem einfachen Energiewandler

Vereinfacht ausgedrückt, wandelt eine Photovoltaik-Anlage (wird oft als PV-Anlage abgekürzt) die Energie der Sonne in für uns und unsere Bedürfnisse nutzbare elektrische Energie um. Sie ist also im Grunde eine Art Energiewandler, die mit ein paar wenigen Komponenten Strom erzeugt. Ihr wichtigster Bestandteil jedoch ist ein silbrig-graues Material, das unter der dunklen Fläche, die man von außen sehen kann, verborgen liegt: Silizium. Dieses wird aus einfachem Quarzsand gewonnen. In Kombination mit der darüber liegenden dunklen Folie hat es die Aufgabe, möglichst viel Licht zu schlucken. Sprich: Es soll so wenig wie möglich von dem einfallenden Sonnenlicht zu verlieren.

Kurz zur Erklärung: Weiße Flächen, wie etwa Schnee, reflektieren Sonnenlicht zurück in die Atmosphäre. Dadurch heizen sich selbst weniger stark auf. Dunkle Flächen hingegen besitzen diese Fähigkeit nicht und schlucken das Licht. Dadurch erwärmen sie sich rasch. Kleines Beispiel dazu, das sicher jeder kennt: Ein schwarz lackiertes Auto wird im Sommer viel schneller heiß als ein weiß lackierter Wagen. Das liegt an eben diesem Effekt.

Was kann Silizium?

Aber kommen wir zurück zu unserer PV-Anlage und dem silbrig-grauer Stoff namens Siliziums. Dieser besitzt nämlich – abgesehen von seiner Farbe – noch eine zweite Eigenschaft, die für die Stromgewinnung wichtig ist: Er ist ein so genannter „Halbleiter“. Das bedeutet, er leitet nur unter bestimmten Bedingungen Strom: Wenn Silizium kalt ist, bewegen sich die Elektronen im Silizium keinen Millimeter. Sie sind dann in einem so genannten Atomgitter gefangen. Sobald diesem Silizium jedoch durch die scheinende Sonne immer mehr Energie zugeführt wird, kommen die Elektronen in Bewegung. Sie werden immer quirliger, bis sie regelrecht davonrinnen und quasi das Gitter sprengen. Das ist der Moment in dem Strom zu fließen beginnt.

Elektronen im Fluss ergeben Sonnenstrom im Überfluss

Damit er jedoch nicht irgendwohin verpufft, werden die Elektronen mit einer zweiten Silizium-Schicht, die auf der Rückseite der Photovoltaik-Anlage befestigt ist, angelockt. Diese Schicht ist so konzipiert, dass sie über zu wenige Elektronen verfügt. So merken die fließenden Elektronen, dass sie dort einen sicheren Platz in einem anderen Atomgitter ergattern können, um wieder zur Ruhe zu kommen. Man kann das ein bisschen mit einem Magneten vergleichen: Die zweite Siliziumschicht wirkt auf die Elektronen magnetisch. Jedenfalls aber wird dadurch eben der Stromfluss erzeugt, den wir wiederum benötigen, um unser Leben, unsere Wirtschaft und unseren Alltag am Laufen zu halten.

All das geschieht mit einem einzigen Treibstoff der zumindest tagsüber nahezu unendlich vorhanden ist: Dem Licht und der Kraft der Sonne.

So entsteht Sonnenstrom:

So ensteht Sonnenstrom

  1. Die obere Siliziumschicht ist mit besonders vielen Elektronen befüllt, die sich durch die Energie der Sonne in Bewegung setzen können.
  2. Eine untere Siliziumschicht jedoch hat einen Mangel an Elektronen und zieht somit die von der Sonne in Bewegung versetzten Atome quasi „magnetisch“ an.
  3. Im Grenzbereich der beiden Schichten bildet sich eine Art neutrale Zone, die man braucht, um die Spannung, also den Stromfluss zwischen der oberen und der unteren Schicht aufrecht zu erhalten.
  4. Da nun oben Elektronen- und unten Fehlstellenmangel herrscht, bildet sich zwischen der oberen und unteren Kontaktflächen ein ständig vorhandenes elektrisches Feld von dem wir einfach konstant Strom abzweigen, um ihn nutzen zu können.
✅ Text: Johannes Stühlinger
✅ Fotos: Shutterstock
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