Solarzellen sind nicht-mechanische Bauelemente, die Halbleiter nutzen, um Sonnenlicht durch den photovoltaischen Effekt direkt in Elektrizität umzuwandeln. Intuitiv könnte man annehmen, dass Solarzellen unter intensiver Sonneneinstrahlung optimal funktionieren, aber stimmt das wirklich?
Die Menschheit nutzt seit Langem Solarenergie, hauptsächlich durch drei Verfahren: Photovoltaik, Photothermische Umwandlung und Photochemische Umwandlung. Die Photovoltaik (PV), die Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, ist eine der effizientesten Nutzungen von Solarenergie.
Der photovoltaische Effekt wurde erstmals 1839 von dem französischen Wissenschaftler Edmond Becquerel beobachtet. Er beschreibt die Entstehung eines elektrischen Potenzials, wenn Licht auf einen Halbleiter trifft. Später erklärte Einstein diesen Effekt mithilfe der Quantentheorie des Lichts, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.
Anders als beim photoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn Licht auf einen einzelnen Leiter trifft, entsteht der photovoltaische Effekt an der Grenzfläche zwischen zwei Halbleiterplatten. Werden diese durch einen Draht verbunden, erzeugt diese Grenzfläche ein elektrisches Feld, wodurch Strom fließen kann.
Wie wandeln Solarzellen Sonnenlicht in Strom um? Sonnenlicht ist ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung. Trifft es auf eine Solarzelle, kann die Strahlung reflektiert, absorbiert oder durchgelassen werden. Nur absorbierte Strahlung wird in elektrische Energie umgewandelt.
Bei Silizium-Halbleitern ist eine Energie von 1,11 Elektronenvolt (eV) erforderlich, um ein Elektron aus seinem Atom herauszulösen. Nur Photonen mit einer Energie oberhalb dieser Schwelle können Strom erzeugen. Die überschüssige Energie hochenergetischer Photonen geht jedoch als Wärme verloren und trägt zur Erwärmung des Solarmoduls bei, wodurch dessen Temperatur über die Umgebungstemperatur steigen kann.
Anders als oft angenommen, bevorzugen Silizium-Solarzellen kühlere Umgebungen, obwohl sie Sonnenlicht benötigen. Mit steigenden Temperaturen produzieren Solarzellen weniger Energie, obwohl sie die gleiche Menge Sonnenlicht erhalten.
Hohe Temperaturen reduzieren hauptsächlich die Leerlaufspannung (die Spannung, wenn kein Strom fließt), während der Kurzschlussstrom (der Strom, wenn die Zelle kurzgeschlossen wird) relativ stabil bleibt. Dies bedeutet, dass höhere Temperaturen zu einem geringeren Wirkungsgrad und einer reduzierten Ausgangsleistung führen.
Solarzellen werden üblicherweise bei einer Standardtemperatur von 25 °C getestet. Steigt die Temperatur des Panels auf 60 °C oder darüber, sinkt seine Leistung deutlich. Pro Grad Temperaturanstieg erhöht sich der Kurzschlussstrom nur um 0,04 %, während die Leerlaufspannung um 0,4 % abnimmt.
Auch wenn die Effizienz im Sommer sinkt, führt die Fülle an Sonnenlicht in dieser Jahreszeit dennoch zu einer höheren Gesamtenergieproduktion im Vergleich zu anderen Jahreszeiten.
Wie man Solarpaneele kühlt
Wie andere elektronische Geräte arbeiten auch Solarpaneele bei kühleren Temperaturen besser. Da sie Sonnenlicht und nicht Wärme zur Energiegewinnung nutzen, funktionieren sie am besten bei hellem, aber kühlem Wetter.
Um Solarpaneele im Sommer zu kühlen, sollten wir sie beschatten? Natürlich nicht! Das Blockieren des Sonnenlichts würde den Zweck der Solarpaneele zunichtemachen. Und wie sieht es mit Sonnencreme aus? Nein, physische Barrieren würden die Lichtabsorption verringern, und chemische Methoden würden die Temperatur nicht senken.
Für Solaranlagen auf Dächern ist natürliche Belüftung eine effektive und wirtschaftliche Kühlmethode. Durch die Installation der Paneele mit einem Abstand zur Dachfläche kann die Luft zirkulieren und die Paneele kühlen. Wichtig ist jedoch, Laub und Schmutz aus dem Spalt fernzuhalten, um die Luftzirkulation aufrechtzuerhalten und eine Überhitzung zu vermeiden.
Forscher haben zudem verschiedene Kühlmethoden untersucht, um die Effizienz von Solarmodulen zu verbessern. Neben der natürlichen Belüftung wurden auch die Zwangsluftkühlung und die photovoltaisch-thermische Kühlung (PVT) erforscht, die wertvolle Erkenntnisse zur Senkung der Modultemperaturen und zur Steigerung der Energieausbeute lieferten.
Da Solarzellen, die Boten sauberer Energie, immer mehr Einzug in unser Leben halten, bringen sie eine neue Welle kohlenstoffarmer, umweltfreundlicher Lösungen mit sich.
