Bei der Photovoltaik geht es um die direkte Umwandlung von Lichtenergie, welche aus dem Sonnenlicht gewonnen wird, in elektrische Energie, mit Hilfe von Solarzellen. Das Prinzip der Photovoltaik wird bereits seit 1958 in der Raumfahrt genutzt. Mittlerweile wird die Photovoltaik in erster Linie zur Stromerzeugung verwendet und die Solarzellen werden meistens auf den Hausdächern angebracht. Kleinere Gegenstände, die mit Solarbetrieb funktionieren, sind zum Beispiel Uhren oder Taschenrechner.

Die Photovoltaik erfreut sich mittlerweile immer größerer Beliebtheit und die Nutzung breitet sich daher weltweit aus. Ende des Jahres 2017 gab es weltweit Photovoltaikanlagen, die eine Leistung von etwa 400 Gigawatt bringen konnten. Im Zeitraum zwischen 2000 und 2015 stieg die weltweite Photovoltaikleistung durchschnittlich um jährlich 35 Prozent. Photovoltaikzellen bestehen hauptsächlich aus Siliziumzellen. Die Solarenergie wird neben der Windenergie zukünftig die wichtigste Energieform sein, da die Zukunft den erneuerbaren Energien gehört.
Die Photovoltaik bringt ein großes Potential mit sich, hat aber auch Nachteile. Sie galt beispielsweise sehr lange als teuerste Form der Stromerzeugung. Dies ist aufgrund sinkender Preise der Anlagenkomponenten jedoch nicht mehr der Fall. Innerhalb der letzen 7 Jahre sind die Kosten der Stromerzeugung mit Hilfe von Photovoltaikanlagen um knapp 75 Prozent gesunken.
Seit dem Jahre 2011 sind die Stromerzeugungskosten von Photovoltaik auf etwa gleichem Niveau wie bei fossiler Energiegewinnung. In manchen Regionen waren die Kosten für die Solarenergie sogar niedriger.

Funktionsweise der Photovoltaikanlage

Für die Energieumwandlung wird der photoelektrische Effekt der Solarzellen genutzt, welche mit Solarmodulen verbunden werden. Die erzeugte Elektrizität kann entweder direkt genutzt oder mit Hilfe von Akkumulatoren gespeichert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Einspeisung in Stromnetze. Hierbei wird die Gleichspannung von einem Wechselrichter umgewandelt, damit diese in das Wechselspannungsstromnetz eingespeist werden kann.

Der photoelektrische Effekt wurde schon im Jahre 1839 von dem französischen Naturwissenschaftler Alexandre Edmon Becquerel entdeckt. Weitere Forschungen durch anderer Physiker und insbesondere die Arbeiten von dem deutschen Physiker Albert Einstein lieferten wichtige Erkenntnisse zum Photoeffekt. Dieser wurde im Jahre 1921 für seine Lichtquantentheorie mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Mitte der 1950er Jahre wurden die ersten Siliziumsolarzellen hergestellt, welche Wirkungsgrade von maximal sechs Prozent hatten. 1955 wurden diese bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern eingesetzt. Seit dieser Zeit werden Photovoltaikzellen auch in der Satellitentechnik eingesetzt.

Die Solarenergie spielte zu dieser Zeit jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Erst durch die Ölkrise in den 1970er Jahren und den Super – GAU von Tschernobyl, setzte ein Umdenken in der Politik und der Bevölkerung ein. Seit dem Ende der 1980er Jahre wurde die Photovoltaiktechnik in verschiedenen Ländern intensiv weiterentwickelt. Hierbei waren die USA, Deutschland und auch Japan führend.

Nennleistung und Ertrag von Photovoltaikanlagen

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird in Watt Peak W_p oder Kilowatt Peak kW_p angegeben. Die angegebenen Werte entsprechen den Testbedingungen, welche zum Beispiel der höchsten Sonnenstrahlung in Deutschland entsprechen. Hieraus folgt, dass die Werte der realen Leistungen unter diesem Wert liegen. Es wird laut Standardtestbedingungen bei 25° Celsius und auch bei einer bestimmten Bestrahlungsstärke sowie Luftmasse gemessen. Können die Bedingungen beim Testen nicht erreicht werden, müssen die Abweichungen mathematisch korrigiert und ausgeglichen werden.
Der wichtigste Faktor einer Photovoltaikanlage ist ihr Jahresertrag, also die Menge der gewonnenen elektrischen Energie. Ein weiterer wichtiger Faktor einer Photovoltaikanlge ist die Spitzenleistung. Die Strahlungsenergie der Sonne unterliegt stetigen Schwankungen. Sie unterliegt beispielsweise den Schwankungen der Tageszeit, Jahreszeit und ist auch wetterbedingt. Beispielsweise kann eine Solaranlage in einem Sommermonat eine zehnmal höhere Leistung erreichen, als es im Dezember der Fall ist.

Der jährliche Ertrag einer Photovoltaikanlage wird in der Regel in Kilowattstunden gemessen und angegeben und wird durch Faktoren wie Standort und Ausrichtung der Solarzellen maßgeblich beeinflusst. Eine strategisch günstige Position in guter Lage ist also eine der wichtigsten Voraussetzungen für einen guten jährlichen Ertrag einer Photovoltaikanlage. Vergleiche haben ergeben, dass in Deutschland eine Neigung des Daches zwischen 30° und 40° liegen sollte und die Ausrichtung der Solarzellen in Richtung Süden erfolgen sollte, da dies den besten Ertrag bringt. In Süddeutschland sollte die Neigung ungefähr 32° betragen und in Norddeutschland 37°, für diese Angaben wurde die maximale Sonnenhöhe zu Grunde gelegt, welche in der Mittagszeit erreicht wird. Doch auch ein leicht größerer Neigungswinkel kann durchaus sinnvoll sein, da in diesem Fall die Photovoltaikanlage zwei Mal pro Tag optimal ausgerichtet ist. Dies gilt sowohl im Mai, als auch im Juli.

Besondere Wetterverhältnisse in bestimmten Regionen sowie weitere Faktoren spielen bei der Ermittlung der besten Position und Ausrichtung auch eine Rolle und sollten soweit dies möglich ist, bei der Errichtung der Photovoltaikanlage beachtet und berücksichtigt werden. Hierfür werden energetische Untersuchungen und Tests durchgeführt, bei denen die standorttypische Globalstrahlung bestimmt wird. Diese umfasst neben der Sonneneinstrahlung selbst auch die Streuung und Reflexion sowie die Diffusstrahlung. Die Streuung kann beispielsweise durch eine Wolkendecke erfolgen. Diese kann unterschiedlich stark sein, da die Wolkendecke manchmal dick und manchmal dünn sein kann. In einigen Fällen liegt auch ein „klarer“ Himmel vor, sodass keine bzw. sehr wenig Streuung zu erwarten ist. Die Reflexion kann durch den Erdboden verursacht werden aber auch durch spiegelnde Flächen, wie Wasseroberflächen oder beispielsweise Hauswände. An diesen Beispielen lässt sich erahnen, dass eine gute Standortermittlung ein komplexes Thema ist.