Wie funktioniert eine PV-Anlage?

Der Klimawandel, steigende Strompreise und die ehrgeizigen Klimaziele Deutschlands machen Photovoltaik aktuell zu einer der wichtigsten Technologien für den Klimaschutz. Mittels Photovoltaik lässt sich Sonnenenergie direkt in Strom umwandeln – eine nahezu klimaneutrale Art der Stromproduktion. Für Privatpersonen ist Photovoltaik mittlerweile nicht nur gut zugänglich, sondern auch eine lohnende Investition. In diesem Ratgeber erhalten Sie einen Überblick darüber, wie Photovoltaik funktioniert, welche Vorteile sie hat und welche Schritte zur Planung Ihrer eigenen Photovoltaikanlage nötig sind.

Photovoltaikanlagen bestehen aus einer Anzahl an Solarmodulen, die wiederum aus Photozellen bzw. Solarzellen bestehen. In den Solarzellen wird das einfallende Sonnenlicht in Strom umgewandelt. Das Licht besteht aus Photonen, den Trägern der elektromagnetischen Strahlung.

Solarzellen nutzen den sogenannten „inneren photoelektrischen Effekt“, der bereits im Jahr 1839 entdeckt wurde. Dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel war aufgefallen, dass bestimmte Materialien unter Sonneneinstrahlung eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Becquerel forschte mit Selen-Verbindungen. 

Heute verwendet man für Solarzellen oftmals gezielt mit Fremdatomen verunreinigtes (fachsprachlich: „dotiertes“) Silizium, aber auch Materialkombinationen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid oder CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid). Auch aus organischen Verbindungen lassen sich Solarzellen fertigen.

Allen eingesetzten Materialien ist gemeinsam, dass es sich dabei um Halbleiter handelt. Damit werden Festkörper bezeichnet, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der Leitfähigkeit von elektrischen Leitern (z. B. Eisen) und Nichtleitern (z. B. Glas sowie viele Kunststoffe) liegt. Hinzu kommt, dass die Leitfähigkeit der Halbleiter bei steigender Temperatur ebenfalls ansteigt.

Wie entsteht Strom in der Solarzelle?

Um Photovoltaik nutzen zu können, werden in den Solarzellen unterschiedliche Halbleiterschichten miteinander kombiniert. Wie dadurch Strom entsteht, soll am Beispiel einer Silizium-Halbleiterzelle erläutert werden:

• Um photoelektrisch aktive Siliziumschichten zu erzeugen, wird das Silizium dotiert. Das heißt, in das regelmäßige Siliziumgitter werden unterschiedliche Fremdatome eingeschleust. Das kann z. B. Phosphor (P) oder Bor (B) sein.
• Phosphor hat fünf Außenelektronen, also eines mehr als Silizium, Bor hingegen nur drei und damit eines weniger als Silizium. Das heißt, es entsteht eine Halbleiterschicht mit Elektronenüberschuss („n-leitend“, wobei n = negativ) und eine mit Elektronenmangel („p-leitend“, p = positiv).
• Werden die p- und n-leitenden Schichten zusammengebracht, kommt es an der Berührungsfläche zu einem Ausgleich, indem die Elektronen und die „Löcher“ (Plätze im Gitter, wo Elektronen fehlen) aufeinander zuwandern und „rekombinieren“.
• Dabei bildet sich eine schmale, neutrale Grenzschicht, die von zwei geladenen Schichten eingefasst ist, einer positiven, mit Bor dotierten, und einer negativen, mit Phosphor dotierten Schicht. Dadurch bildet sich über der Grenzschicht ein elektrisches Feld.
• Fällt Licht auf die Grenzschicht, werden negatives Elektron und positives Loch voneinander getrennt und durch das elektrische Feld zur jeweils anderen Seite gelenkt. Verbindet man die beiden geladenen Außenschichten der Solarzelle mit einem elektrischen Leiter, fließt Strom.

Die Spannung und der Strom, den eine einzelne Solarzelle produziert, sind sehr gering. Erst durch das Zusammenschalten vieler Zellen lässt sich die Funktion der Photovoltaik sinnvoll zur Energieerzeugung nutzen. Ein Standard-Solarmodul bestand lange Zeit aus 60 Zellen, heute sind meist 144 Halbzellen im Einsatz. Für eine Anlage mit 10 kWp sind – je nach Leistung – 20 bis 30 Module erforderlich.

Wie hoch der Ertrag einer Photovoltaikanlage ist, hängt neben Größe und Ausrichtung maßgeblich von der Technologie der eingesetzten Solarzellen ab. Auf Hausdächern werden meist Solarmodule mit monokristallinen Zellen verbaut, die einen Wirkungsgrad von bis zu 22 % aufweisen. Dadurch lässt sich eine hohe Leistung auf der begrenzten Dachfläche erzielen. Die kostengünstigeren Dünnschichtmodule mit geringeren Wirkungsgraden kommen vor allem dort zum Einsatz, wo die Fläche nicht den limitierenden Faktor darstellt, so zum Beispiel bei Solarparks.

Durch die Verbindung mehrerer Solarmodule lässt sich die Leistung und damit die Menge an erzeugbarem Solarstrom entsprechend proportional vergrößern. Faustformel: Um eine Leistung von 1kWp erzeugen zu können, werden Solarmodule mit einer Fläche von etwa 6 Quadratmetern benötigt – abhängig von der Leistung der Solarzellen mehr oder weniger. Die Sonneneinstrahlung liegt in Deutschland bei jährlich etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter und ist im Sommer etwa fünfmal höher als im Winter.

Rechenbeispiel zur Dimensionierung der Anlage: Der jährliche Strombedarf einer vierköpfigen Familie liegt im Schnitt bei 4.500 kWh. Die PV-Anlage sollte so dimensioniert werden, dass sie zumindest rechnerisch den Bedarf deckt, im vorliegenden Fall ist also eine Nennleistung von mindestens 4 bis 6 kWp sinnvoll. Das bedeutet, dass eine ungefähre Dachfläche von 24 bis 36 m² benötigt wird. 

Da die genaue Berechnung aber von vielen Faktoren abhängig ist, ist die Planung durch eine geschulte Fachkraft nötig. Diese ermittelt den optimalen Aufbau, damit die Anlage den höchstmöglichen Ertrag erzielen kann. 

Von Gleichstrom zu Wechselstrom

Photovoltaische Bauteile erzeugen grundsätzlich immer Gleichstrom, die meisten elektrischen Geräte im Haushalt verwenden Wechselstrom. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom ist Aufgabe des Wechselrichters. Neben den Solarmodulen und dem Wechselrichter gehören Unterkonstruktion, Verkabelung, Anschlusselektrik und 2-Richtungs-Zähler (Einspeisung und Netzbezug) zur Photovoltaikanlage. Erweitert werden kann die PV-Anlage zudem um ein Energiemanagementsystem, das den Verbrauch steuert, sowie um einen Stromspeicher. 

Photovoltaik wird in vielen Alltagsgeräten genutzt, beispielsweise bei Taschenrechnern, Uhren, Solarleuchten oder Parkscheinautomaten. Die für den Betrieb nötige Strommenge ist gering und lässt sich mit einigen wenigen Solarzellen erzeugen. Das ist auch der Grund dafür, dass es viele dieser Anwendungen schon seit Beginn der technischen Nutzung der Photovoltaik gibt, als die Zellen noch längst nicht so leistungsfähig wie heute waren. Mittlerweile sind auch viele Kühlboxen, Boote, Wohnmobile und elektrische Gartengeräte mit Solarzellen ausgestattet.

Wichtigstes Einsatzgebiet der Photovoltaik sind heutzutage jedoch leistungsfähige, netzgekoppelte Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) auf Privathäusern, Gewerbeimmobilien und öffentlichen Gebäuden. Hinzu kommt die Nutzung in großen Solarparks, in denen Strom für zahlreiche Haushalte und für die Industrie gewonnen wird. 

Im privaten Bereich werden hauptsächlich PV-Anlagen auf Hausdächern eingesetzt. Diese Anlagen bestehen in der Regel aus 10 und mehr Solarmodulen, es ist aber auch möglich, einzelne Solarmodule auf dem Balkon oder auf der Terrasse zu verwenden. Die höhere Effizienz der Solarzellen macht den Einsatz der Photovoltaik auch im kleinen Maßstab immer attraktiver. Die als Balkonkraftwerke bezeichneten Kleinstanlagen können den Strombedarf zwar nicht decken, helfen aber dabei, die Stromkosten zu senken und auch die CO2-Emissionen des Haushaltes zu reduzieren.

Für die Photovoltaik spricht, dass sie viele Funktionen erfüllt, denn der erzeugte Strom kann auch zum Heizen (zum Beispiel mit einer Wärmepumpe), zur Warmwasserbereitung (zum Beispiel über einen Heizstab) und nicht zuletzt für die Elektromobilität eingesetzt werden (Sektorenkopplung).  

Weitere Arten der Nutzung von Photovoltaik

Photovoltaikanlagen werden zwar am häufigsten auf Dächern angebracht, es bestehen jedoch auch andere Möglichkeiten. So können Solarmodule beispielsweise auch als Fassaden-Photovoltaik oder als Parkplatzüberdachung verwendet werden. Weitere Anwendungen sind PV-Zäune, schwimmende Photovoltaikanlagen oder im landwirtschaftlichen Bereich als Agri-PV.

Vor dem Kauf einer Photovoltaikanlage steht eine gründliche Planung. Bei der Planung einer Photovoltaikanlage ist vor allem interessant, ob das Hausdach für die Installation geeignet ist und ob die Anlage an diesem Standort wirtschaftlich betrieben werden kann. Informieren Sie sich hier über alle Aspekte der Planung: 

• Ausrichtung: Ideal geeignet ist ein nach Süden ausgerichtetes Dach mit einem Neigungswinkel von 30 Grad. Auch bei Abweichungen kann die Anlage jedoch in der Regel wirtschaftlich betrieben werden.
• Stromverbrauch: Der geschätzte Stromverbrauch spielt eine wichtige Rolle für die Dimensionierung der Anlage, da sich insbesondere ein hoher Eigenverbrauch lohnt.
• Größe der Anlage: Die Größe einer PV-Anlage richtet sich vor allem nach der Dachfläche, die zur Verfügung steht. Um wirtschaftlich zu sein, sollte die Anlage nicht zu klein sein, auch wenn letztendlich nur ein Teil für den Eigenbedarf genutzt wird. Als Mindestgröße sind etwa 5 kWp rentabel. 
• Solarmodule: Leistung und Qualität der Module entscheiden maßgeblich über den Ertrag der Anlage.
• Kosten und Finanzierung: Jede PV-Anlage wird so geplant, dass die Kosten sich nach durchschnittlich etwa 10–12 Jahren amortisieren, sodass während der restlichen Nutzungsdauer Strom nahezu kostenlos bezogen werden kann. Förderungen können eine PV-Anlage noch rentabler machen. 
• Steuern: Es gibt verschiedene Steuermodelle, die genau geprüft werden sollten. Dadurch lassen sich unter Umständen die Kosten für die PV-Anlage weiter reduzieren. Mit dem EEG 2023 reduziert sich jedoch die Komplexität, da z.B. für Installation und Lieferung der Anlage dann die Umsatzsteuer entfällt.
• Anmeldung und Genehmigung: Alle PV-Anlagen, die ans Stromnetz angeschlossen werden, müssen angemeldet werden. Darüber hinaus können zusätzliche Genehmigungen nötig sein.

Wir stellen Ihnen hier die wichtigsten Aspekte in Kurzform vor. Nutzen Sie die weiterführenden Links, um sich ausführlich zu bestimmten Themen zu informieren, oder lassen Sie sich zum Thema Photovoltaik persönlich beraten.

Ausrichtung einer PV-Anlage

Am intensivsten ist die Sonneneinstrahlung während der Mittagsstunden und am frühen Nachmittag. In dieser Zeit steht die Sonne im Süden, sodass eine PV-Anlage idealerweise nach Süden ausgerichtet wird. Normalerweise ist die Ausrichtung aber durch das Hausdach vorgegeben. Das ist in vielen Fällen unproblematisch, da selbst größere Abweichungen von der Südausrichtung den Ertrag kaum schmälern. Selbst auf Dächern mit Ost-West-Ausrichtung kann Photovoltaik mithilfe von zwei Teilanlagen wirtschaftlich eingesetzt werden. Die Teilanlagen verwerten die Sonneneinstrahlung morgens und abends optimal. Das sind genau die Zeiten, in denen auch der Bedarf an Strom besonders hoch ist. 

Das Potenzial der Photovoltaik wird bestmöglich ausgeschöpft, wenn das Sonnenlicht im rechten Winkel auf die Solarmodule trifft. Da der Sonnenstand sich im Laufe des Tages und auch über das gesamte Jahr verändert, wird für die Solarmodule ein durchschnittlicher idealer Neigungswinkel von 30 Grad angegeben. Abweichungen beeinträchtigen die Funktion der Photovoltaik nicht und haben nur geringe Ertragseinbußen zur Folge. 

Übrigens können PV-Anlagen nicht nur auf Schrägdächern installiert werden: Auch Flachdach-PV-Anlagen bieten Vorteile. Auf Flachdächern lassen sich PV-Anlagen relativ frei ausrichten, allerdings ist die Installation mit zusätzlichen Lasten verbunden, denn die die Module tragenden Unterkonstruktionen werden in der Regel mit Steinen oder Ähnlichem beschwert. In beiden Fällen ist es wichtig, dass die Anlage weitestgehend frei von Verschattungen bleibt. Bei Schrägdachanlagen sind meist Aufbauten wie der Schornstein oder Dachgauben die Ursache für Leistungsverluste, bei Flachdachanlagen muss der Abstand zwischen den Modulreihen so gewählt werden, dass sie sich nicht gegenseitig verschatten.

Informieren Sie sich hier ausführlich über die Ausrichtung von PV-Anlagen. 

Kosten und Finanzierung einer PV-Anlage

Die Kosten einer Photovoltaikanlage sollen sich noch vor Ende der Lebensdauer der Anlage amortisieren, sodass in der restlichen Laufzeit kostenloser Solarstrom bezogen werden kann. Zu den einmaligen Kosten gehören:

• Kosten für die PV-Anlage
• Kosten für den Wechselrichter (für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom)
• Kosten für die Montage inkl. Elektroanschluss und ggf. Baugerüst

Laufende Kosten fallen an für:

• Reinigung und Wartung der PV-Anlage
• die Photovoltaik-Versicherung

Den Kosten gegenüber stehen Einnahmen sowie verschiedene Förderungen. Die Einnahme durch den Eigenverbrauch ergibt sich aus der Differenz zwischen dem aktuellen Strompreis und den Gestehungskosten – also den Kosten, zu denen der Solarstrom hergestellt wird. Letztere liegen bei ca. 10 bis 15 Cent pro kWh. Je höher der aktuelle Strompreis, umso größer ist also auch die Differenz und damit die rechnerische Einnahme.

Die wichtigste Förderung und gleichzeitig eine weitere Einnahme ist die Einspeisevergütung für Strom, der mit der Anlage produziert und ins Stromnetz eingespeist wird. Weitere Fördermöglichkeiten für PV-Anlagen bieten die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) und diverse Kommunen und Bundesländer an. Die Finanzierung der PV-Anlage kann jedoch auch über Kredite etc. erfolgen. 

Hier erfahren Sie mehr über die Kosten, die für eine PV-Anlage anfallen. 

Photovoltaik und Steuern

Es gibt Wege, die Photovoltaik ohne Finanzamt zu betreiben und so den bürokratischen Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren.  Das ist möglich, wenn die Kleinunternehmerregelung in Anspruch genommen wird. Dieses Vorgehen wird nach der EEG-Novelle 2023 voraussichtlich zum Standard werden. Unter Umständen bleibt es aber auch sinnvoll, die Steuern in Bezug auf die Photovoltaikanlage zu optimieren. So ist es beispielsweise möglich, eine PV-Anlage abzuschreiben oder sich den Batteriespeichers steuersparend anzuschaffen. 

Erfahren Sie hier alles Wichtige zum Thema Photovoltaik und Steuern. 

Anmeldung und Genehmigung von Photovoltaik

Jede PV-Anlage muss, sofern sie ans Stromnetz angeschlossen wird, beim Netzbetreiber und bei der Bundesnetzagentur angemeldet werden. Für letztere Meldung gibt es das Marktstammdatenregister, bei dem Sie Ihre PV-Anlage online anmelden können. Von der Pflicht zur Anmeldung ausgenommen sind lediglich die sogenannten Inselanlagen, die völlig unabhängig vom Stromnetz betrieben werden und keinen Strom ins öffentliche Netz einspeisen. 

Hausbesitzer können sich in der Regel frei für die Nutzung der Photovoltaik entscheiden, wenn nicht örtliche Bauordnungen diese Freiheit einschränken. Besitzer von Eigentumswohnungen benötigen in der Regel die Zustimmung der Eigentümerversammlung, wenn sie eine Photovoltaikanlage errichten wollen. Mieter müssen hingegen stets die Genehmigung des Vermieters einholen. Das gilt selbst für kleine Balkonanlagen. 

Erfahren Sie hier mehr darüber, wie eine PV-Anlage korrekt angemeldet wird.

Anders als bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe entstehen bei der Verwendung von Photovoltaik keine Treibhausgase im Betrieb. Jedoch müssen Solarzellen und -module hergestellt werden und bei diesen Prozessen werden Ressourcen verbraucht und es entsteht CO₂. Allerdings amortisiert sich eine Photovoltaikanlage bereits nach etwa zwei Jahren energetisch, das bedeutet, dass die zu ihrer Produktion benötigte Energie durch ihre Nutzung eingespart wird. Beim Einsatz fossiler Rohstoffe wird dieser Punkt nie erreicht, da ständig neue Energie in Form von Brennstoffen zugeführt werden muss. 

Eine weitere wichtige Funktion hat die Photovoltaik in Bezug auf den Klimaschutz dadurch, dass für die Module nur wenige Rohstoffe eingesetzt werden, die selten und schwer zu gewinnen sind – den Hauptteil macht Silizium aus, das aus Sand gewonnen wird.

Photovoltaik als naturschonende Energiequelle 

Eine auf dem Dach installierte Photovoltaikanlage benötigt keinen zusätzlichen Platz und hat keine negativen Auswirkungen auf beispielsweise Vögel oder Insekten. Sie arbeitet außerdem geräuschlos. Großanlagen wie Solarparks werden häufig auf landwirtschaftlich nicht oder nur schwer nutzbaren Flächen errichtet, sodass sie nicht in Konkurrenz zur Nahrungs- oder Futtermittelproduktion stehen. 

Mit der Agri-Photovoltaik erlebt zudem gerade eine Kombination beider Nutzungsformen einen Aufschwung: Die auf hohen Gestellen angebrachten Module bieten neben der Stromerzeugung den darunter angebauten Pflanzen Schutz vor zu viel Sonne, sodass auch empfindliche Arten angebaut werden können. Auch schwimmende PV-Anlagen auf Baggerseen oder industriell genutzten Gewässern haben positive Effekte. So führt die teilweise Abschirmung zu einer geringeren Erwärmung des Wassers und minimiert so auch das übermäßige Wachstum von Pflanzen, die dem Gewässer Sauerstoff entziehen.

Photovoltaik – Energie mit Potenzial

Die Umgestaltung der Energieversorgung im Rahmen der Energiewende sieht vor allem Windkraft und Photovoltaik als Hauptlieferanten für Strom vor. Bisher ist der Anteil der Photovoltaik an den erneuerbaren Energien mit etwa 9 % am Strombedarf und etwa 2 % am Gesamtenergiebedarf in Deutschland noch eher gering. Ein weiterer, beschleunigter Ausbau der Photovoltaik ist auf dem Weg zu einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung jedoch unbedingt erforderlich. 

Zusammen haben die erneuerbaren Energieträger Wind und Sonne, unterstützt durch zusätzliche Speichereinrichtungen, das Potenzial, einen großen Teil der Versorgung sicherzustellen. Dabei ergänzen sich beide Techniken hervorragend. Insbesondere die Photovoltaik ermöglicht es Interessierten, unter Einsatz überschaubarer finanzieller Mittel selbst einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.