Photovoltaik

1. Photovoltaik • Einführung • Geschichte • Physik • Technologien • Marktübersicht • Kosten und Energieertrag • Gestalterische Möglichkeiten • Eigene Einschätzung und Entwicklung Vortrag für Energiearchitektur Dresden

2. 1. Einführung Lieber Module auf dem Dach als Aktien im Keller • Sonne strahlt jährlich das • 15 000-fache des derzeitigen • weltweiten Energie- • verbrauchs ein • 1000 kWh Sonnenstrom = • 700 kg CO2erspart • 2008 – 94 Solarkraftwerke • auf Dresdener Dächern • (2,2 Mio kWh = 375 Erdum- • rundungen mit Elektroauto ) • 0,1% – 0,7 % aus Solarstrom • 25 % der Dächer in Dresden • für Solarstrom geeignet • (bisher nur 0,1 % ) [Keine Wahlwerbung ] z. Z. nur 1/1000 der Energie aus Solarzellen Vorbereitet sein für den großen Run

3. 2. Geschichte • 1839 – Entdeckung der Photovoltaischen Stromerzeugung durch Bequerel • 1957 – Erste Si-Solarzellen für die Raumfahrt • 70-er/ 80-er Jahre Autonome Kleinanwendungen (kleine Solarzellen – Taschenrechner u. a. ) • Ab 90-erJahre großflächig und Kopplung an Netze (EEG zirka doppelter Preis als kWh so kostet )

4. 2. Physik Zeichnung vom pn-Übergang mit Elektronentrennung – HL Meine Wahlpflichtfächer im Hauptdiplom: • Experimentelle Halbleiterphysik (HgCdTe ) • Optik und Spektroskopie (Lumineszenz ) Solarkonstante = 0,8 kW/ m2 – 2,5 kW/ m2 Verschiedene Solarzellentypen absorbieren zum Teil Unterschiedliche Wellenbereiche !  Tandem-Solarzellen

5. Funktion der Solarzelle • Interbandübergänge am p-n-Übergang Grundsätzlich mit Bor vordotiert – dann unter hoher Wärme Diffusion von Phosphor

6. Nutzbare Energie = 13 % (bis 18 %, bis 28 % physikalische Grenze, • Neuester Rekord in Australien bei 48 % Wirkungsgrad ) • Überschüssige Photonenenrgie der kurzwelligen Strahlung = 32 % • Zu geringe Photonenenergie der lanwelligen Strahlung = 23 % • Potenzialgefälle besonders in Raumladungszone = 20 % • Rekombination = 8,5 % • Reflexion und Abschattung durch Frontkontakte = 3 % • Stromwärmeverluste 0,5 %

7. 3. Technologien • 1. Monokristalline Zellen – aus Si-Wafern Wirkungsgrad 16% bis 18% 2. Polykristalline Zellen – aus Si-Blöcken Wirkungsgrad 13% bis 15% 3. Dünnschichtzellen 3.1 Amorphes Silizium 3.2 Kupfer-Indium-Diselenid-Zellen (CIS ) 3.3. Kadmium-Tellurid-Zellen (CdTe )

8. HIT-Zelle amorphes Si Dünnschicht und Kristallinem Si • Kugelsolarzellen • Farbstoffzellen (ohne Si ) z. B. Titan-Dioxid • (geringe Wirkungsgrade ) • Problem des Speicherns der Energie • Umwandlung in Wechselstrom • Wirkungsgrad im Labor – bzw. in der Serienproduktion

9. Solarzellen  Solarmodule  PV-Anlage • Mehrere Solarzellen in Reihe schalten – Addition des Stromes • Mehrere Solarzellen parallel schalten – Addition der Spannung • Oben Minuspol • Unten Pluspol • Vorne Glas • Hinten Kunststofffolie • Verkapselungen • Alterung von Solarzellen vorhanden, aber sehr gering

10. 4. Marktübersicht • Große Produzenten: • Q-Cells, Solarworld, Solarwatt, Arise, Sunfilm, Avanics u. v. a. • Viele kleine Installationsfirmen • Weltmarkt der Photovoltaik nach Einsatzbereichen • Netzgekoppelt 67 % • Netzunabhängig Industrieländer 8 % • Netzunabhängig Entwicklungsländer 7 % • Kommunikationstechnik 7 % • Konsumgüter 7 % • Solarkraftwerke > 100 kW 4 %

11. Marktanteile der verschiedenen Zelltechnologien • Polykristalline Si-Zellen 51,6 % • Monokristalline Si-Zellen 36,4 % • Dünnschichttechnologien: • Amorphe Si-Zellen 6,4 % • Polykristallines Bandsilizium 4,7 % • Sonstige Dünnschichtzellen (CdTe, CIS )

12. 5. Kosten und Energieertrag • Simulationsprogramme vorhanden • PV*Sol, SolEm, PV-Profit, SBS-Photovoltaik, PV-Kalk u. a. • Umwandlung des erzeugten Gleichstromes in Wechselstrom für Einspeisung • Abhängig von Verschattung, Sonnenstrahlung, Winkel, Modul u. a. • Mit Wechselrichter – Solargenerator (Zusatzkosten ) • Richtlinien für Bauen und Elektro beachten • Alterung sehr gering aber vorhanden • Investitionen hat man nach zirka fünf Jahren wieder rein • Herstellergarantie bis 20 Jahre

13. Einspeisevergütung in ct/ kWh lt. EEG • <30kW 30–100kW 100kW 1000kW >1000kW • 2009 43 41 40 33 32 • 2010 40 38 36 30 29 • In anderer Literatur andere Zahlen • Zum Vergleich bei DREWAG 20 ct pro kWh

14. In unseren Breitengraden zirka 1 kW/ m2 • 1000 kWh Strom pro Jahr bei 10 m2 • 4-Personen-Haushalt etwa 4000 kWh • Pro kW-peak zirka 6000 Euro • Zirka 1000 kWh pro kW-peak • (zirka 22 000 Euro für 4 kWh-peak ) • Anlage mit 5 kW-peak – ca. 5000 kWh Strom pro Jahr • 30 – 40 Jahre Lebensdauer • 20 – 25 Jahre Leistungsgarantie

15. 6. Gestalterische Möglichkeiten • Kaltfassade – Solarzelle und Wand/ Dach sind getrennt/ mehrschalig mit Hinterlüftung • Warmfassade – Solarzelle in Wand/ Dach integriert/ geschlossene Außenhülle, beidseitig zugänglich (Solardachziegel ) • Auf-Dach – In-Dach • Baurecht, Normen, Richtlinien für Bauen und Elektro beachten • Farben der Antireflexionsschicht: Grün, Gold, Braun, Violett (je heller desto mehr Wirkungsgrad geht verloren )

17. Verschiedene Beispiele für Integration in Gebäuden

18. Halbdurchsichtige Solarzelle Energieautarkes Haus mit Solarenergie Buch zum Thema Bauen mit Solaranlagen

19. 7. Eigene Einschätzung der Entwicklung • Recycling von alten Solarzellen • Vorbereitet sein für den Run • Keine schädlichen Emissionen – kein störender Lärm wie bei Wind und Wasser • Noch Entwicklungspotential in dieser Technologie, so daß mit Verbesserungen des Wirkungsgrades zu rechnen ist - Aber auch abwarten für höhere Wirkungsgrade • Sonnenlicht ist unerschöpflich und kostenlos • Durch staatliche Förderung preislich attraktiv • Steuerliche Vorteile für gewerbliche Nutzung

20. Wissenswertes • Zeitschriften: • Photon – Das Solarstrommagazin • Sonne, Wind und Wärme – Das Branchenmagazin für alle erneuerbaren Energien • Sonnenenergie – Zeitschrift für erneuerbare Energien und Energieeffizienz • Institut für Solarzellenforschung Hameln – ISFH • PIP – Progres in Photovoltaics • Interessante Filme auf der Internetseite von Q-Cells

21. Weiterführende Literatur