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1      Was bedeutet "Fotovoltaik"?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Energie des Lichtes in andere Energieformen umzuwandeln. In Sonnenkollektoren wird das Sonnenlicht verwendet, um Wasser zu erwärmen. Die Lichtenergie wird in Wärme umgewandelt. Durch Verwendung von geeigneten Kollektoren kann man sogar Dampf erzeugen und damit eine Turbine mit Generator antreiben. Man kann so das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Man kann Licht auch direkt, dass heißt ohne den Umweg über Wärme, in elektrische Energie umwandeln. Spezielle, geschickt kombinierte Materialien erzeugen bei Belichtung einen nutzbaren Strom. Diese Tatsache bezeichnet man als fotovoltaischen Effekt. [Zur Herkunft des Worts: (1) Griechisch: phos, Genitiv Fotos "Licht". (2) Nach Alessandro Volta, dem aus Italien stammenden Entdecker der elektrochemischen Stromquellen.]

Die Entdeckung der Fotovoltaik geht in das 19. Jahrhundert zurück, als man die Grundlagen der Fotographie erforschte. Lange Zeit wurde dieser Effekt aber nicht weiter beachtet. Erst in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts wurden elektronische Elemente zur Nutzung des Fotovoltaischen Effektes entwickelt und patentiert. Solche Bauteile fasst man unter dem Begriff Fotoelemente zusammen.

Fotoelemente werden nicht nur für die Stromerzeugung, sondern vor allem auch für Messzwecke hergestellt. So befindet sich in jeder modernen Foto- oder Videokamera ein Fotoelement zur Messung der Beleuchtungsverhältnisse.

Fotoelemente, die speziell für die Stromerzeugung optimiert sind, werden als Solarzellen bezeichnet. Die erste Solarzelle wurde 1954 hergestellt und bereits 1958 in einem amerikanischen Satelliten zur Stromversorgung eingesetzt. In der Praxis werden die einzelnen Solarzellen serie- und parallelgeschaltet, damit brauchbare Spannungen und Ströme erzeugt werden können.

2      Vor- und Nachteile der fotovoltaischen Nutzung der Sonnenenergie

3       Vergleich des Energiebedarfs mit der eingestrahlten Sonnenenergie

Die Solarkonstante hat den Wert 1380 W/m². Das bedeutet, dass auf einer Fläche von 1 m², die genau senkrecht zur Einstrahlungsrichtung der Sonnenstrahlen steht, in jeder Sekunde die Energie 1380 J auftrifft. Dieser Wert gilt jedoch nur außerhalb der Erdatmosphäre. An der Erdoberfläche beträgt der Wert – je nach Witterung und Jahreszeit – zwischen 200 und 1000 W/m².

Nimmt man an, dass eine Person im Durchschnitt etwa 4kWh an elektrischer Energie täglich benötigt, dann ergibt sich für die Fläche, die pro Person an Solarzellen notwendig wäre, folgende Rechnung:

Wir nehmen den günstigsten Fall von 1000 W/m² Sonnenleistung an. Der Wirkungsgrad von Solarzellen beträgt rund 10%, d.h. 10% der Sonnenenergie können in elektrische Energie umgewandelt werden. 4kWh entsprechen 1,44·10⁷ J. Bei 10% Wirkungsgrad können z.B. in der Sahara im Mittel 50J elektrische Energie pro Sekunde und Quadratmeter erzeugt werden. Nimmt man an, dass die Sonne dort 12 Stunden am Tag scheint, ergibt das eine tägliche Gesamtenergiemenge von 12h·3600s/h·50J/m²=2,16·10⁶J/m². Für den Energiebedarf einer Person wäre somit eine Fläche von 1,44·10⁷ J/2,16·10⁶J/m²=6,7m² notwendig.