Systemtechnik Weser-Ems

Die jährliche Energiemenge, die durch Sonnenstrahlung auf die Erde auftrifft, beträgt ein vielfaches der Energie, die die Menschen im selben Zeitraum verbrauchen. Bei optimaler Ausnutzung könnte also mehr als die erforderliche Energiemenge allein durch Sonnenenergie gewonnen werden.

Photovoltaik-Anlagen (Solaranlagen) sind eine solche Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen: Sie sind Energiewandler, die Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln können.  Der Name "Photovoltaik" stammt zum einen vom griechischen Wort für Licht (phos) und zum anderen vom Namen des Italienischen Physikers Alessandro Graf von Volta, der im Jahr 1800 die erste Batterie vorstellte. Die Möglichkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, wurde 1954 entdeckt und wird als PV-Effekt bezeichnet. Seitdem hat sich die Solarzelle zunehmend in unseren Alltag geschlichen: Sie wird heutzutage auf Taschenrechnern, Uhren und Parkuhren verwendet, aber sie bringt auch Energie für Satelliten und versorgt als alleinige Energiequelle die internationale Raumstation ISS.

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Materialien, allen gemein ist, dass sie Halbleiter bilden. Ein Halbleiter leitet nur dann elektrischen Strom, wenn er (zum Beispiel durch Licht) erwärmt wird, bei tiefen Temperaturen wirkt er isolierend. Die meisten Solarzellen (über 95%) auf der Welt bestehen aus Silizium-Halbleitern. Silizium ist nach Sauerstoff das häufigste Element der Erde und somit in ausreichender Menge vorhanden. 

In der einzelnen Solarzelle wird ein dünner  Halbleiter aus Silizium mit einer extrem dünnen Schicht Phosphor dotiert (N-Schicht), das heißt, es wird eine gewisse Menge Phosphor definiert in die Oberfläche des Halbleiters eingebracht. Eine zweite Schicht wird mit Bor dotiert (P-Schicht). 
Durch diese Dotierung ist die N-Schicht eher bereit, negative Ladungen (sogenannte Valenzelektronen) abzugeben, die P-Schicht hat eher die Möglichkeit eine positive Ladung abzugeben. An der Grenzschicht zwischen den beiden Schichten bewegen sich die negativen Ladungen der N-Schicht zu den positiven Ladungen der P-Schicht (und andersherum), so dass schlussendlich die N-Schicht mehr positive Ladungen als gewöhnlich und die P-Schicht mehr negative Ladungen als gewöhnlich vorweist. Diese Grenzschicht, in der die Ladungen zueinander wandern, heißt Raumladungszone. 

In der Raumladungszone werden bei der Zufuhr von Photonen (Sonnenlicht) freie Elektronen erzeugt, die ihren ursprünglichen Platz in der Raumladungszone verlassen und zum oberen Rand der N-Schicht wandern. Die dabei wieder entstehende positive Ladung wandert zum unteren Rand der P-Schicht: Zwischen den Oberflächen der Solarzelle entsteht ein Spannungsunterschied, der durch eine Verbindung der beiden Ränder wieder ausgeglichen werden kann. Diese Kabelverbindung transportiert die Elektronen von der Oberfläche der N-Schicht: Ein Strom fließt.

Solarmodule bestehen meist aus einer Glasscheibe zur Sonnenseite hin, einer transparenten Silikonschicht, in die die Solarzellen eingebettet sind, mehreren miteinander verschalteten Solarzellen und einem stabilisierenden Aluminiumrahmen. 
Eine einzelne Solarzelle liefert pro Quadratzentimeter etwa eine Leistung von 10 mW, also etwa 1kW pro 10 Quadratmeter. Darum ist es für den Einsatz in der Praxis sinnvoll, einzelne Solarzellen zu Solarmodulen (oder Photovoltaik-Modulen) miteinander zu verbinden. Die Verschaltung der einzelnen Zellen erfolgt meist zunächst in Serienschaltung, um die Spannung zu erhöhen. Diese Stränge von Solarzellen (auch "Strings") werden dann parallel geschaltet, um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen. 

Der entstehende Strom wird dann weiterverwendet: 
Bei Inselanlagen wird der Strom in einem Akkumulator zwischengespeichert und zur späteren Verwendung aufbewahrt. Vom Solarakkumulator gibt es dann eine Weiterleitung zum Verbraucher. Mit dem entstandenen Gleichstrom können zum Beispiel einige Haushaltsgeräte (Bügeleisen, Wasserkocher, Haarfön) betrieben werden. Mit einem Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, können dann auch alle Geräte betrieben werden, die mit Gleichstrom nicht optimal oder gar nicht funktionieren. Inselanlagen werden meist an Orten eingesetzt, an denen kein öffentliches Versorgungsnetz vorhanden ist (z.B. in Ferienhäusern oder Schrebergärten). 

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen sind immer zunächst an einen Wechselrichter angeschlossen, weil das Versorgungsnetz zum Energietransport auf Wechselspannung ausgerichtet ist. Der Wechselrichter ist bei richtigem Einbau in der Lage, sich an die aktuelle Auslastung der Anlage anzupassen und somit den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. 
Der entstehende Solarstrom wird bei netzgekoppelten Anlagen in das öffentliche Netz eingespeist und vom Energieversorgungsunternehmen hoch subventioniert vergütet.