Entdeckung des photoelektrischen Effekts
Die Stromproduktion in Photovoltaik-Modulen beruht auf dem photoelektrischen Effekt. Dieser wurde 1839 zum ersten Mal von Alexandre Edmond Becquerel beobachtet und 1907 von Albert Einstein physikalisch begründet. In Solarzellen (Photodioden) nehmen Elektronen Photonen aus dem Sonnenlicht auf, lösen sich dabei aus ihrer Bindung und hinterlassen ein positiv geladenes Loch. Durch diese Teilung des Ladungsträgerpaares fließt Strom im Halbleiter. Dieser Effekt tritt in Abhängigkeit vom Material und dessen physikalischer Eigenschaften unterschiedlich stark auf. Nach momentanem Stand der Forschung ist der photoelektrische Effekt bei kristallinem Silizium am besten festzustellen.
Entwicklung und Einsatzgebiet der ersten Solarzellen
Die erste Solarzelle wurde von Charles Frittes 1883 aus Selen gebaut, ihr Wirkungsgrad lag bei etwa 1%. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt die Menge an elektrischer Energie, die eine Zelle relativ zu der eingestrahlten solaren Energie produziert. 1953 entwickelten Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson die erste Solarzelle aus kristallinem Silizium mit einem Wirkungsgrad von über 4 %.
Die ersten Anwendungen von Solarzellen fanden ab 1958 in der Raumfahrt statt, da Photovoltaik-Systeme speziell für Satelliten eine sehr gute Möglichkeit der Stromversorgung darstellen. Die hohen Kosten zur damaligen Zeit machten Solarzellen für andere Bereiche uninteressant. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts verbreitete sich die Nutzung von Photovoltaikanlagen, größtenteils in abgelegenen und schwer mit Strom zu versorgenden Gebieten, aber in einigen Ländern auch auf privaten Dächern.
Aktuelle Marktentwicklung in Österreich
In Österreich ist seit 2008 ein merklicher Zubau festzustellen. Besonders beachtlich ist der jährliche Zuwachs von 740 MWp im Jahr 2021 und von 1.009 MWp im Jahr 2022. Die kumulierte Leistung bis inklusive 2022 beträgt 3.792 MWp.
Der Modulpreis ist seit der ersten Verbreitung der Technologie stark gesunken. Im Jahr 2022 kostete ein Photovoltaikmodul in Österreich durchschnittlich 439€/kWp. Diese Entwicklung sorgte nicht nur für die weitere Verbreitung von Photovoltaik-Anlagen, sondern beeinflusst auch die Art des verbauten Moduls. Polykristalline Module waren zwischen 2011-2019 noch die am häufigsten installierten Module. Durch den fallenden Modulpreis (unabhängig vom Modyltyp) spielte die von den Modulen belegte Fläche eine immer größer werdende Rolle. Die effizienteren und damit platzsparenden monokristallinen Module gewannen somit an Bedeutung, sodass diese seit 2020 den Großteil aller neu installierten Photovoltaikanlagen ausmachen. Eine ähnliche Entwicklung kann auch in der Forschung und Entwicklung bei den Herstellern beobachtet werden. Im Jahr 2015 erreicht der Anteil der polykristallinen Solarzellen an den neu installierten Solarzellen sein Maximum, sinkt dann stetig und ist im Jahr 2022 vernachlässigbar.
- Monokristalline Module: Die Solarzellen werden aus reinen Siliziumkristallen geschnitten, sie haben einen hohen Wirkungsgrad - von bis zu 22% - und eine einheitliche Optik, sind jedoch etwas teurer als polykristalline Module.
- Polykristalline Module: Aus einem gegossenem Siliziumblock, bei dem beim Abkühlen eine Kristallstruktur entsteht, werden die polykristallinen Solarzellen herausgeschnitten. Das Verfahren ist weniger komplex und dadurch günstiger, jedoch weisen die Module auch einen geringeren Wirkungsgrad, etwa zwischen 15 % – 20 % auf. Die Oberfläche der Module ist farblich und strukturell gemischt. Wegen der niedrigeren Kosten sind die meisten momentan verbauten Module polykristallin, sie werden jedoch, wie in Abbildung 3 dargestellt, allmählich von monokristallinen Modulen verdrängt.
- Dünnschichtmodule: Unterschiedliche Materialien, bei denen der photoelektrische Effekt auftritt, wie etwa Cadmium, Tellurium, Silizium oder Selen werden auf ein Trägermedium aufgedampft. Die Solarzellen selbst sind also nur wenige Mikrometer dünn. Der Wirkungsgrad bei Dünnschichtmodulen liegt zwischen 5 % und 13 %. Sie sind die günstigsten Module und haben auch Vorteile bezüglich der Reinigung und durch ihr geringes Gewicht, werden aber wegen des niedrigen Wirkungsgrades mittlerweile in Österreich kaum installiert.