Inhalt des Artikels
- Die Solaranlage: Das macht sie so besonders
- Funktionsweise im Detail: So funktioniert eine Photovoltaikanlage
- Sonnenlicht trifft auf die Solarzelle
- Der photovoltaische Effekt setzt ein
- Das elektrische Feld trennt die Ladungsträger
- Gleichstrom fließt durch die Solarzelle
- Solarmodule werden in Reihe geschaltet
- Der Wechselrichter konvertiert den Strom
- Stromverteilung im Haushaltnetz
- Überschüssiger Strom wird gespeichert
- Einspeisung ins öffentliche Netz
- Strombezug aus dem Netz bei Bedarf
- So viel kostet Ihre neue Anlage
- Ändert sich die Funktionsweise im Winter?
- Der Einfluss der Zelltypen
- Verschiedene Verschaltungen
- Spezial-Technologien
- Neue Trends: Wie sich die Funktionsweise einer Solaranlage weiterentwickeln wird
- Fazit
- Häufig gestellte Fragen
Das Wichtigste in Kürze
- Solarzellen wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom um, den ein Wechselrichter für Haushaltsgeräte nutzbar macht
- Ein Batteriespeicher ermöglicht es, überschüssigen Solarstrom zu speichern und morgens sowie abends zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint
- Die Funktionsweise bleibt im Winter gleich, jedoch sinkt der Ertrag durch geringere Sonneneinstrahlung und kürzere Tage um etwa 70-80 %
- Moderne Technologien wie PERC, TOPCon oder bifaziale Module steigern den Wirkungsgrad deutlich und verbessern die Wirtschaftlichkeit
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So wird Ihr Strom produziert → Funktionsweise der PV-Anlage erklärt
Welche Module sind die besten? → Vergleich von Zelltyp, Aufbau und Co
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Inhaltsverzeichnis
Die Solaranlage: Das macht sie so besonders
Eine Solaranlage nutzt die Energie der Sonne, um elektrischen Strom zu erzeugen und schafft somit ein kleines Wunder aus Natur und Technik. Dabei kommen Solarmodule zum Einsatz, die meist auf dem Dach oder einer Freifläche installiert werden und aus vielen einzelnen Solarzellen bestehen.
Jede Zelle funktioniert wie ein kleines Kraftwerk, das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Dieser Vorgang läuft völlig geräuschlos ab und produziert keinerlei Emissionen. Besonders bemerkenswert ist die lange Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren, während der die Anlage kontinuierlich Strom erzeugt und sich dabei mehrfach amortisiert.
📌 Good to know: In diesem Artikel verwenden wir die Begriffe Solaranlage und Photovoltaikanlage synonym. Streng genommen ist eine Solaranlage jedoch der übergeordnete Begriff: Er umfasst nicht nur Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung, sondern kann auch Solarthermieanlagen bezeichnen, die zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden.
Funktionsweise im Detail: So funktioniert eine Photovoltaikanlage
Die Funktion der Solaranlage ist ein komplexer Prozess, der von den Feinheiten der Sonnenenergie, über technischen Komponenten bis hin zum erzeugten Strom mehrere Schritte durchläuft. In den nachfolgenden Schritten zeigen wir Ihnen die Funktionsweise praxisnah und einfach auf.
Sonnenlicht trifft auf die Solarzelle
Sobald Sonnenstrahlen auf die Oberfläche einer Solarzelle treffen, beginnt der Prozess der Stromerzeugung. Die Zelle besteht aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das in zwei unterschiedlich dotierte Schichten aufgeteilt ist. Photonen im Sonnenlicht transportieren Energie, die beim Auftreffen auf die Zelle freigesetzt wird. Selbst diffuses Licht an bewölkten Tagen reicht aus, um Strom zu produzieren, wenngleich mit geringerer Leistung.
Der photovoltaische Effekt setzt ein
Wenn die Photonen auf die erste Siliziumschicht treffen, geben sie ihre Energie an Elektronen ab. Dadurch werden Elektronen aus ihrer Bindung gelöst und können sich frei bewegen. Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet und bildet das Herzstück der gesamten Technologie. Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Elektronen werden mobilisiert und desto mehr Strom kann erzeugt werden.
Das elektrische Feld trennt die Ladungsträger
Zwischen der ersten und zweiten Siliziumschicht entsteht nun ein elektrisches Feld, das die freigesetzten Elektronen in eine bestimmte Richtung lenkt. Die obere Schicht ist negativ dotiert und besitzt einen Elektronenüberschuss, während die untere Schicht positiv dotiert ist. Das sorgt dafür, dass die Elektronen zur Vorderseite der Zelle wandern und dort abgegriffen werden können. Ohne dieses elektrische Feld würden die Elektronen einfach wieder in ihre ursprüngliche Position zurückkehren.
Gleichstrom fließt durch die Solarzelle
Die gerichtete Bewegung der Elektronen erzeugt einen elektrischen Stromfluss in Form von Gleichstrom. Metallische Kontakte auf der Vorder- und Rückseite der Zelle nehmen diesen Strom auf und leiten ihn weiter. Mehrere Solarzellen sind in einem Modul zusammengeschaltet, wodurch sich die einzelnen Spannungen addieren. Ein typisches Solarmodul produziert zwischen 30-50 Volt Gleichstrom bei einer Leistung von etwa 350-450 Watt.
Solarmodule werden in Reihe geschaltet
Auf Ihrem Dach sind mehrere Solarmodule installiert, die in Reihe oder parallel miteinander verschaltet werden. Bei einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Module, während die Stromstärke gleichbleibt. Dadurch entstehen sogenannte Strings, die typischerweise zwischen 400-800 Volt Gleichstrom liefern. Durch die höhere Spannung werden die Leitungsverluste auf dem Weg zum Wechselrichter erheblich reduziert.
Der Wechselrichter konvertiert den Strom
Der erzeugte Gleichstrom kann in Haushalten nicht direkt genutzt werden, da alle Geräte mit Wechselstrom betrieben werden. Hier kommt der Wechselrichter ins Spiel. Er wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Moderne Wechselrichter erreichen dabei Wirkungsgrade von über 98 % und verlieren somit kaum Energie bei der Umwandlung.
📌 Quick-Tipp: Manche Wechselrichter arbeiten absichtlich mit einer Beschränkung. Balkonkraftwerke dürfen z.B. nur 800 Watt einspeisen, sofern sie nicht als größere Anlage genehmigt werden. Wer also ein Balkonkraftwerk mit zum Beispiel 1000 Wp betreibt, bekommt einen Wechselrichter mit 800 Watt Begrenzung dazu, um die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten.
Stromverteilung im Haushaltnetz
Nach der Umwandlung fließt der Wechselstrom in Ihr Hausnetz und steht dort für alle elektrischen Verbraucher zur Verfügung. Ob Kühlschrank, Waschmaschine oder Computer, alle Geräte werden vorrangig mit dem selbst erzeugten Solarstrom versorgt. Ein Energiemanagementsystem kann dabei helfen, die Verbraucher intelligent zu steuern und den Eigenverbrauch zu maximieren. Denn wichtig ist: Wer keinen Stromspeicher nutzt, kann den Strom nur in dem Moment nutzen, indem er produziert wird.
Mit einem Management-System läuft beispielsweise die Waschmaschine automatisch dann, wenn die Sonne am stärksten scheint.
Überschüssiger Strom wird gespeichert
Produziert Ihre Anlage mittags mehr Strom als Sie gerade verbrauchen, empfiehlt sich der Einsatz eines Batteriespeicher. Er nimmt den überschüssigen Strom auf und bewahrt ihn für Zeiten auf, in denen die Sonne nicht scheint. Die meisten Speicher basieren auf Lithium-Ionen-Technologie und erreichen Wirkungsgrade von 90-95 %. Mit einer typischen Speicherkapazität von 5-15 kWh können Sie Ihren Eigenverbrauch deutlich steigern und werden unabhängiger vom öffentlichen Stromnetz.
Einspeisung ins öffentliche Netz
Ist auch der Batteriespeicher vollständig geladen und produzieren Sie immer noch mehr Strom als Sie benötigen, wird die überschüssige Energie ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Dafür erhalten Sie eine gesetzlich festgelegte Einspeisevergütung pro Kilowattstunde. Ein Stromzähler erfasst sowohl die eingespeiste als auch die bezogene Strommenge. Bei modernen Anlagen erfolgt die Einspeisung automatisch, sobald alle anderen Verbraucher und der Speicher versorgt sind.
Strombezug aus dem Netz bei Bedarf
Abends oder nachts, wenn Ihre Solaranlage keinen Strom mehr produziert und der Speicher leer ist, beziehen Sie automatisch Strom aus dem öffentlichen Netz. Dieser Vorgang läuft nahtlos ab, ohne dass Sie etwas merken oder umschalten müssen. Gleichzeitig dient das öffentliche Stromnetz als Backup-Lösung für besonders stromintensive Situationen. Durch die Kombination aus Solaranlage, Speicher und Netzbezug sind Sie rund um die Uhr zuverlässig mit Elektrizität versorgt, senken Ihre Stromkosten jedoch erheblich durch den Eigenbezug von kostenfreier Solarenergie.
So viel kostet Ihre neue Anlage
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Ändert sich die Funktionsweise im Winter?
Die grundlegende Funktionsweise Ihrer Photovoltaikanlage bleibt im Winter dieselbe wie im Sommer. Sonnenlicht wird weiterhin in elektrischen Strom umgewandelt, unabhängig von der Außentemperatur. Allerdings sinkt die Stromerzeugung deutlich, da die Sonneneinstrahlung schwächer ist und die Tage kürzer sind.
Im Dezember und Januar produziert eine PV-Anlage in Deutschland nur etwa 20-30 % der Energie, die sie in den Sommermonaten erzeugt. Interessanterweise arbeiten Solarzellen bei niedrigen Temperaturen sogar effizienter, da der Wirkungsgrad mit steigender Hitze abnimmt. Schnee auf den Modulen kann die Stromproduktion vorübergehend stoppen, rutscht jedoch meist von selbst ab.
Der Einfluss der Zelltypen
Der verwendete Zelltyp beeinflusst maßgeblich, wie effizient Ihre Solaranlage Sonnenlicht in Strom umwandelt. Monokristalline Zellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade und benötigen entsprechend weniger Fläche für die gleiche Leistung. Polykristalline Module sind günstiger in der Herstellung, liefern aber etwas geringere Erträge. Dünnschichtmodule kommen vor allem dort zum Einsatz, wo Gewicht und Flexibilität wichtiger sind als maximaler Ertrag pro Quadratmeter.
| Zelltyp | Material | Wirkungsgrad [%] | Temperaturkoeffizient [%/K] | Flächenbedarf pro kWp [m²/kWp] | Kosten pro Watt [€/Wp] | Degradation | Einsatzgebiete |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Monokristalline Zelle | Reines Silizium (einkristallin) | 18-24 | -0,35 bis -0,45 | 5-6 | 0,35-0,50 | 0,3-0,5 % pro Jahr | Dach, Freifläche, begrenzte Flächen |
| Polykristalline Zelle | Silizium (multikristallin) | 15-18 | -0,40 bis -0,50 | 6-7 | 0,30-0,45 | 0,5-0,7 % pro Jahr | Dach, Freifläche, preissensitive Projekte |
| Dünnschichtmodule | Cadmiumtellurid, amorphes Silizium, CIGS | 10-13 | -0,20 bis -0,30 | 8-12 | 0,25-0,40 | 0,5-1,0 % pro Jahr | Fassade, Leichtbau, flexible Anwendungen |
Verschiedene Verschaltungen
Auch der mechanische Aufbau der Solarmodule bestimmt ihre Effizienz, sowie die Robustheit und Langlebigkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen. Glas-Folie-Module sind der Standard für die meisten Dachanlagen und bieten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Glas-Glas-Module punkten mit höherer Stabilität und längerer Lebensdauer, was sich besonders bei Freiflächenanlagen auszahlt. Bifaziale Module nutzen zusätzlich reflektiertes Licht von der Rückseite und können den Ertrag um 5-25 % steigern, je nach Untergrund und Aufständerung.
| Modultyp | Vorder-/Rückseite | Mechanische Stabilität | Gewicht [kg/m²] | Lebensdauer [Jahre] | Degradation [% nach 25 Jahren] | Ertragspotenzial | Wetterbeständigkeit | Kosten | Einsatzbereiche |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Glas-Folie | Glas vorne, Kunststofffolie hinten | Mittel | 10-12 | 25-30 | 15-20 | Standard | Gut (UV, Hagel) | Günstig | Dach, Standard-Freiflächenanlagen |
| Glas-Glas | Beidseitig Glas | Hoch | 12-14 | 30-35 | 10-15 | Standard | Sehr gut (Feuchtigkeit, UV, Hagel) | Mittel bis hoch | Freifläche, raue Umgebungen, Fassaden |
| Bifazial | Glas-Glas (beide Seiten aktiv) | Hoch | 12-14 | 30-35 | 10-15 | 5-25 % höher durch Rückseitenertrag | Sehr gut | Hoch | Freifläche mit hellem Untergrund, aufgeständerte Systeme |
Strombezug aus dem Netz bei Bedarf
Abends oder nachts, wenn Ihre Solaranlage keinen Strom mehr produziert und der Speicher leer ist, beziehen Sie automatisch Strom aus dem öffentlichen Netz. Dieser Vorgang läuft nahtlos ab, ohne dass Sie etwas merken oder umschalten müssen. Gleichzeitig dient das öffentliche Stromnetz als Backup-Lösung für besonders stromintensive Situationen. Durch die Kombination aus Solaranlage, Speicher und Netzbezug sind Sie rund um die Uhr zuverlässig mit Elektrizität versorgt, senken Ihre Stromkosten jedoch erheblich durch den Eigenbezug von kostenfreier Solarenergie.
Spezial-Technologien
Halbzellen-Module (Half-Cut)
Bei Halbzellen-Modulen werden die Solarzellen horizontal halbiert, wodurch jede Hälfte nur noch den halben Strom führt. Dadurch sinken die ohmschen Verluste in den Leiterbahnen deutlich, was die Gesamtleistung des Moduls um etwa 3-5 % steigert. Zusätzlich verringert sich die Erwärmung der Module, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht. Bei Verschattung einzelner Zellbereiche bleibt außerdem ein größerer Teil des Moduls funktionsfähig, da beide Hälften unabhängig voneinander arbeiten können.
Shingle-Module
Shingle-Module verwenden schmale Zellstreifen, die dachziegelartig überlappend angeordnet sind. Sichtbare Leiterbahnen entfallen komplett, da die elektrische Verbindung über leitfähige Klebestreifen erfolgt. Dadurch wird die aktive Fläche des Moduls besser ausgenutzt und die Leistung pro Quadratmeter steigt um etwa 5-10 %. Gleichzeitig reduzieren sich auch hier die Verluste durch geringeren elektrischen Widerstand. Die nahtlose Optik macht diese Module besonders für ästhetisch anspruchsvolle Installationen interessant.
PERC-Module (Passivated Emitter and Rear Cell)
PERC-Technologie fügt eine zusätzliche Passivierungsschicht auf der Rückseite der Solarzelle hinzu. Sie reflektiert langwelliges Licht zurück in die Zelle, das sonst ungenutzt bliebe, und erhöht so den Wirkungsgrad um 1-2 Prozentpunkte. Außerdem reduziert die Schicht die Rekombination von Elektronen, wodurch mehr Ladungsträger nutzbar werden. PERC ist mittlerweile Standard bei hochwertigen monokristallinen Modulen und kostet kaum mehr als herkömmliche Technologie.
TOPCon-Module (Tunnel Oxide Passivated Contact)
TOPCon stellt eine Weiterentwicklung der PERC-Technologie dar und erreicht Wirkungsgrade von bis zu 25 %. Dabei wird eine ultradünne Tunneloxidschicht zwischen Silizium und Kontaktschicht eingefügt, die den Ladungsträgertransport verbessert. Gleichzeitig weist TOPCon einen besseren Temperaturkoeffizienten auf, was zu höheren Erträgen bei sommerlichen Temperaturen führt. Die Technologie gilt als vielversprechende Brückenlösung auf dem Weg zu noch effizienteren Solarzellen.
HJT (Heterojunction)
Heterojunction-Zellen kombinieren kristallines Silizium mit dünnen amorphen Siliziumschichten auf beiden Seiten. Dadurch erreichen sie Wirkungsgrade von über 25 % und behalten ihre Leistung auch bei hohen Temperaturen besser als andere Technologien. Das führt in heißen Sommermonaten zu deutlich höheren Erträgen. Allerdings sind HJT-Module derzeit noch teurer in der Herstellung, weshalb sie vor allem im Premium-Segment anzutreffen sind.
IBC (Interdigitated Back Contact)
Bei IBC-Modulen befinden sich alle elektrischen Kontakte auf der Rückseite der Solarzelle. Dadurch entstehen keinerlei Schattenverluste durch Leiterbahnen auf der Vorderseite, was den Wirkungsgrad auf über 23 % steigert. Zusätzlich bieten IBC-Module eine besonders homogene, schwarze Optik, die viele Hausbesitzer:innen anspricht. Die aufwendige Herstellung macht sie allerdings zu den teuersten Modulen am Markt, weshalb sie sich eher bei begrenzter Dachfläche und hohen Ansprüchen an die Ästhetik lohnen.
Neue Trends: Wie sich die Funktionsweise einer Solaranlage weiterentwickeln wird
Die Photovoltaik-Branche entwickelt sich rasant weiter und neue Technologien versprechen noch höhere Wirkungsgrade und vielfältigere Einsatzmöglichkeiten. Darunter zum Beispiel die Tandem-Solarzellen. Diese kombinieren verschiedene Halbleitermaterialien, die unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts optimal nutzen und so theoretisch Wirkungsgrade von über 30 % erreichen können.
Perowskit-Solarzellen lassen sich kostengünstig in Dünnschichttechnologie herstellen und könnten künftig auch auf flexiblen Untergründen oder in Gebäudefassaden integriert werden. Künstliche Intelligenz optimiert bereits heute die Steuerung von Energiemanagementsystemen und lernt aus Ihrem Verbrauchsverhalten, um den Eigenverbrauch kontinuierlich zu maximieren.
📌 Quick-Tipp: Neue Technologien klingen verlockend, doch warten Sie nicht darauf. Nutzen Sie stattdessen die Förder-Möglichkeiten, solange diese noch Verfügbar sind und steigern Sie somit die Wirtschaftlichkeit Ihrer Anlage.
Fazit
Die Funktionsweise einer Solaranlage mit Speicher basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt. Durch die Kombination aus Solarmodulen, Wechselrichter und Batteriespeicher können Sie einen Großteil Ihres Strombedarfs selbst decken und Ihre Energiekosten deutlich senken.
Häufig gestellte Fragen
Funktioniert eine Solaranlage auch bei Stromausfall?
Standardmäßig schaltet sich Ihre Solaranlage bei einem Stromausfall automatisch ab, um Netztechniker:innen vor eingespeistem Strom zu schützen. Mit einer Ersatzstromfunktion oder einem Notstromsystem kann Ihr Speicher jedoch weiterhin ausgewählte Verbraucher versorgen. Für echte Unabhängigkeit benötigen Sie eine Inselanlage mit spezieller Technik, die komplett vom Netz getrennt arbeitet.
Warum liefern manche Module bei gleicher Sonneneinstrahlung mehr Leistung als andere?
Der Unterschied liegt im Wirkungsgrad der verwendeten Zellen und im Aufbau des Moduls. Hochwertige monokristalline Zellen mit PERC- oder TOPCon-Technologie wandeln einen größeren Anteil des Sonnenlichts in Strom um als einfachere polykristalline Zellen. Zusätzlich spielen Faktoren wie der Temperaturkoeffizient, die Qualität der Antireflexbeschichtung und die Verschaltung der Zellen eine wichtige Rolle für die tatsächlich erzeugte Leistung.
Kann ich meine Solaranlage nachträglich erweitern?
Eine Erweiterung ist technisch meist möglich, erfordert jedoch eine sorgfältige Planung. Sie müssen prüfen, ob Ihr Wechselrichter die zusätzliche Leistung verarbeiten kann oder ob ein zweiter Wechselrichter nötig ist. Auch die Dachstatik und freie Flächen müssen ausreichend sein. Rechtlich gilt die Erweiterung als neue Anlage, wenn sie mehr als zwei Jahre nach der ursprünglichen Installation erfolgt, was Auswirkungen auf Förderung und Einspeisevergütung haben kann.
