Photovoltaik hat in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Trotzdem ist vielen Menschen nicht klar, wie Solarzellen eigentlich funktionieren, dass sie auch bei bewölktem Himmel Strom erzeugen und im sonnigen Süden nicht besser sind – im Gegenteil sogar Kälte lieben.

Solarzellen wandeln Licht direkt in Strom um. Sie bestehen aus drei Schichten:

• einer negativ geladenen oberen Siliziumschicht
• einer positiv geladenen unteren Siliziumschicht
• und einer Trennschicht dazwischen.

Silizium ist ein sogenannter Halbleiter. In der Elektrotechnik unterscheidet man Materialien in Isolatoren wie Kunststoffe oder Porzellan und Leiter – meist Metalle und Halbleiter. Diese Halbleiter sind zwar erst einmal nichtleitend. Sie können aber auf einen Energie-Input, sei es Licht oder Wärme, leitend werden und Strom erzeugen.

Trifft nun Licht auf die negativ geladene Silizium-Oberseite der Solarzelle, setzt dies Elektronen frei. Diese drängen durch die Trennschicht zur positiv geladenen Unterseite. Verbindet man nun die positiv und die negativ geladene Seite mit einem leitenden Material, entsteht ein Stromkreis. Es fliesst Gleichstrom.

Hell, nicht heiss

Die meisten Dächer und Fassaden können sehr viel Strom produzieren. Dabei sind Solarpanels nicht unbedingt auf Sonne angewiesen, sondern vor allem auf Licht. Sie erzeugen damit Strom auch bei bedecktem Himmel. Der Ertrag ist nämlich abhängig von der Lichtmenge und nicht von der Hitze. Im Gegenteil ­– Hitze reduziert die Leistung sogar. Weil elektrotechnische Materialien den Strom bei hohen Temperauren schlechter und bei tiefen besser leiten, erzeugen PV-Module bei Kälte mehr Strom.

Aber auch Reflektion leitet mehr Licht auf die Panels – sei es Wasser, Spiegel, weisse Oberflächen oder Schnee. Das macht PV-Anlagen in alpinen Regionen und im Hochgebirge so effizient und ist mit ein Grund für den Solarexpress der Schweizer Regierung. Damit sollen in den Bergen sehr grosse PV-Anlagen gebaut werden. Ihre Panels stehen vertikal und verfügen über eine zusätzliche äussere negativ geladen Siliziumschicht. Damit erzeugen sogenannte bifaziale Solarpanels auf beiden Seiten Strom. Dank Kälte, Lichtreflexion des Schnees und fehlenden Schatten der umgebenden Berge erzeugen sie trotz kürzerer Tage etwa die Hälfte ihres Stroms im Winterhalbjahr.

Zeitliche Optimierung der Produktion

PV-Stromertrag kann nicht nur saisonal optimiert werden, wie mit den alpinen PV-Anlagen, sondern auch über den Tagesverlauf hinweg. Früher war ein möglichst hoher Ertrag pro Panel erwünscht. Das erreichte man mit einer konsequenten Südausrichtung. Das hat in der Summe die frühere Mittagsspitze gebrochen, als über den Mittag die Wasserkraftwerke kaum mit der Produktion nachkamen und die Stromversorger via die Rundsteuerung ab 11 Uhr Boiler und Waschmaschinen automatisch abschalteten, während in allen Küchen der Schweiz auf dem Elektroherd das Mittagessen gekocht wurde.

Dank PV-Anlagen gibt es heute über den Mittag immer genug Strom für alles. Deshalb ist man dazu übergegangen, Anlagen mit Ost-West-Ausrichtung zu bauen. Auf der einen Seite können damit sehr viel mehr Dächer für die Stromproduktion genutzt werden und auf Flachdächern wird die mögliche Panelfläche grösser. Auf der anderen Seite verteilt sich der Ertrag besser über den ganzen Tag und vermeidet die Produktionsspitze am Mittag, wenn ohnehin schon zu viel Strom vorhanden ist.

Mit anderen Montagearten als der Südausrichtung ist an Gebäuden nicht nur eine Optimierung im Tagesverlauf möglich, sondern auch eine saisonale Optimierung. Das gilt vor allem für Panels an der Fassade. So produzieren PV-Module an einer Südfassade ihren Strom vor allem im Winter, sowie am Vormittag und am Abend. Am Mittag dagegen liegen sie im Schatten und vermeiden damit eine Überlastung des Netzes.