Funktionsweise

Die Photovoltaik (PV) ermöglicht es, Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Umwandlung erfolgt durch den photovoltaischen Effekt. Der Name des Effektes kommt von "Photo" für Licht und "Volt" für Spannung. Der Apparat, in dem dieser Effekt ausgenutzt wird, heisst Solarzelle (oder Photovoltaik-Zelle).

Zoom

Schematische Darstellung des Photoeffekts

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, das aus normalem Quarz-Sand gewonnen wird. Zuerst muss das Silizium ganz rein gemacht werden. Damit Sonnenlicht Elektronen zum Fliessen bringen kann, braucht es aber noch etwas mehr: Man muss in die Silizium-Kristalle bestimmte Fremdatome einschleusen. In der unteren Graphik sind zwei Schichten ersichtlich. Die eine Schicht ist mit solchen Fremdatomen (genau genommen: Bor-Atome) bestückt, damit (wegen Elektronenmangel) eine positive Ladung entsteht. Das ist die p-Schicht. In der zweiten Schicht bewirken andere Fremdatome (nämlich Phosphor) eine negative Ladung, weil sie Elektronen mitbringen. Das ist die n-Schicht.  Erst das Zusammenspiel der N- und der P-Schicht ermöglicht den photovoltaischen Effekt. Bei konstanter Lichteinstrahlung wirkt eine Solarzelle ähnlich wie eine Batterie. Die Solarzellen werden dann aneinander gehängt, damit sich die Spannung der einzelnen Zellen addiert. Dadurch entsteht ein Solarmodul mit einer Spannung von meist 24 Volt. Da der erzeugte Strom von den Zellen Gleichstrom ist, muss er zuerst mit einer Wechselrichter-Einheit zu Wechselstrom gemacht werden. So kann er ins Netz eingespeist und für elektrische Verbraucher zugänglich gemacht werden.

Recycling

Das für die Herstellung von Solarzellen genutzte Silizium ist ökologisch unbedenklich. Es ist das am zweithäufigsten vorkommende Element in der Erdkruste. Auch neue Technologien, wie etwa Cadmiumtellurid- oder Kupfer-Indiumdiselenid-Solarzellen, bergen im Vergleich mit anderen Energieversorgungsoptionen keine großen Umweltrisiken. Damit das Silizium für Solarzellen genutzt werden kann, muss es zuerst gereinigt und dann mit Fremdatomen dottiert werden. Ein grosser Teil des Bedarfes an Reinsilizium wird aus Abfällen von der Chipindustrie gedeckt. Durch den enormen Wachstum des Solarmarktes übersteigt der Bedarf von Reinsilizium das momentane Angebot. Inzwischen sind mehrere Silizium-Fabriken speziell für die Solarindustrie im Bau. Die ersten wurden im Jahre 2007 eröffnet.

Für das Recycling von Siliziumsolarzellen wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Das Hauptproblem liegt zur Zeit in der Demontage der Solarzellen in ihre Bestandteile. Da das Solarmodul keine giftigen Stoffe enthält, entstehen jedoch keine gefährlichen Abfälle. Photovoltaikanlagen können bei entsprechender Herstellungstechnik vollständig wiederverwertet werden. Glas und Silizium lassen sich einfach wiederverwerten. Problematisch ist allein die Auflösung des Modulverbundes, der auch Kunststoffe enthält. BP Solar erprobt mit guten Ergebnissen die Wiederverwendung von Solarzellen aus Modulen, indem der Kunststoff chemisch gelöst wird. Neben der Energieeinsparung könnten auch deutliche Kostenreduzierungen durch Wiederverwertung der Solarzellen erreicht werden. Zukünftig werden Solarmodule so konstruiert werden, dass ein vollständiges stoffliches Recycling möglich ist. Wenn die Solarstrom-Anlage also ausgedient hat, kann man alles Material rezyklieren und wiederverwenden. Die Solarzellen müssen aufgefrischt werden und können dann mit dem selben Glas wieder gebraucht werden; für eine zweite dreissigjährige Dienstzeit. Insbesondere weist der Recyclingprozess eine positive Energiebilanz auf, d.h. selbst wenn das Silizium je nach Verfahren nicht mehr für Solarzellen verwendet werden kann, sondern in anderen Bereichen (Metallindustrie) verwendet werden muss, ist der Energieaufwand für das Recycling geringer als für die Herstellung von neuem Silizium aufgewendet werden müsste.