Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie , meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen . Seit 1958 wird sie in der Raumfahrt genutzt („ Sonnensegel “). Inzwischen wird sie überwiegend auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter anderem Anwendung auf Dachflächen , bei Parkscheinautomaten , in Taschenrechnern , an Schallschutzwänden und auf Freiflächen .

Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (φῶς, phos, im Genitiv: φωτός, photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung , dem Volt (nach Alessandro Volta ) ab. Die Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik , die weitere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.

Ende 2014 waren weltweit mehr als 177 GW _p Nennleistung installiert, die mit rund 200  TWh jährlicher Produktion etwa 1 % des weltweiten Strombedarfs decken könnten. In Europa deckte die Photovoltaik 3,5 % des gesamten Strombedarfes bzw. 6 % des Spitzenlastbedarfes. Spitzenreiter war Italien mit einem Anteil von etwa 8 % am Stromverbrauch. In Deutschland trägt Photovoltaik mit etwa 7 % zum Stromverbrauch bei. ^[1] 2014 betrug der weltweite Marktanteil von kristallinen Siliziumzellen ca. 90 %. Es wird erwartet, dass Siliziumzellen auch langfristig die dominierende Photovoltaik-Technologie bleiben werden und gemeinsam mit Windkraftanlagen die „Arbeitspferde“ der Energiewende sein werden. ^[2]

Die Photovoltaik galt lange als die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien; eine Sicht, die mittlerweile durch die starken Kostensenkungen der Anlagenkomponenten jedoch überholt ist. ^[3] Seit Beginn des Photovoltaikausbaus sind die Kosten der Photovoltaik stark gesunken. Mittlerweile liegen die Stromgestehungskosten der Photovoltaik in bestimmten Regionen der Erde auf gleichem Niveau oder sogar niedriger als bei fossilen Konkurrenten (Stand 2014). Inklusive Speicher, die bei hohem Anteil der Photovoltaik am Strommix notwendig werden, liegen die Kosten höher als bei fossilen Kraftwerken. ^[4] Allerdings ist Solarstrom bereits heute konkurrenzfähig, wenn die externen Kosten der fossilen Stromerzeugung (d.h. Umwelt- , Klima- und Gesundheitsschäden ) mit berücksichtigt werden; selbst wenn diese nur zum Teil internalisiert werden. ^[5]

Geschichte der Photovoltaik

Die Photovoltaik basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln. Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Dieser wurde daraufhin weiter erforscht, wobei insbesondere Albert Einstein mit seiner 1905 erschienenen Arbeit zur Lichtquantentheorie großen Anteil an dieser Erforschung hatte, für die er 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. 1954 gelang es, die ersten Siliziumsolarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 6 % zu produzieren. Die erste technische Anwendung wurde 1955 bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern gefunden. In Belichtungsmessern für die Photographie fand Photovoltaik weite Verbreitung.

Seit Ende der 1950er Jahre werden Photovoltaikzellen in der Satellitentechnik verwendet; als erster Satellit mit Solarzellen startete Vanguard 1 am 17. März 1958 in die Erdumlaufbahn, der bis 1964 in Betrieb blieb. In den 1960er und 1970er Jahren führte die Nachfrage aus der Raumfahrt zu Fortschritten in der Entwicklung von Photovoltaikzellen, während Photovoltaikanlagen auf der Erde nur für bestimmte Inselanlagen eingesetzt wurden. ^[6]

Ausgelöst durch die Ölkrise von 1973/74 sowie später verstärkt durch die Nuklearunfälle von Harrisburg und Tschernobyl setzte jedoch ein Umdenken in der Energieversorgung ein. Seit Ende der 1980er Jahre wurde die Photovoltaik in den USA, Japan und Deutschland intensiv erforscht; später kamen in vielen Staaten der Erde finanzielle Förderungen hinzu um den Markt anzukurbeln und die Technik mittels Skaleneffekten zu verbilligen. Infolge dieser Bemühungen stieg die weltweit installierte von 700 MWp im Jahr 2000 auf 177 GWp im Jahr 2014. Bis 2020 rechnet die IEA mit einem weiteren Anstieg auf ca. 400 bis 500 GWp. ^[6]

Schreibweise

Üblicherweise wird die Schreibung Photovoltaik und die Abkürzung PV angewendet. Seit der deutschen Rechtschreibreform ist die Schreibweise Fotovoltaik die neue Hauptform und Photovoltaik eine weiterhin zulässige alternative Schreibung. Im Deutschen Sprachraum ist die alternative Schreibweise Photovoltaik die gebräuchliche Variante. Auch im internationalen Sprachgebrauch ist die Schreibweise PV üblich. ^[7] Für technische Fachgebiete ist die Schreibweise in der Normung (hier ebenfalls Photovoltaik ) ein wesentliches Kriterium für die anzuwendende Schreibweise.

Technische Grundlagen

Zur Energiewandlung wird der photoelektrische Effekt von Solarzellen genutzt, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden. Die erzeugte Elektrizität kann direkt genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Vor der Einspeisung in Wechselspannungs – Stromnetze wird die erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter umgewandelt. Das System aus Solarmodulen und den anderen Bauteilen (Wechselrichter, Stromleitung) wird als Photovoltaikanlage oder Solargenerator bezeichnet.

Nennleistung und Ertrag

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig in der Schreibweise W _p ( Watt Peak ) oder kW _p angegeben und bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die in etwa der maximalen Sonnenstrahlung in Deutschland entsprechen. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarmodule. Die elektrischen Werte der Bauteile werden in Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse (abgekürzt AM) von 1,5 gemessen. Diese Standard-Testbedingungen (meist abgekürzt STC, engl. standard test conditions ) wurden als internationaler Standard festgelegt. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden.
Zum Vergleich: Die Strahlungsstärke der Sonne im erdnahen Weltall ( Solarkonstante ) beträgt im Mittel 1367 W/m². (Am Boden kommen bei klarem Wetter ca. 75 % dieser Energie an.)

Ausschlaggebend für die Dimensionierung und die Amortisation einer Photovoltaikanlage ist neben der Spitzenleistung vor allem der Jahresertrag, also die gewonnene Strommenge. Die Strahlungsenergie schwankt tages-, jahreszeitlich und wetterbedingt. So kann eine Solaranlage in Deutschland im Juli gegenüber dem Dezember einen bis zu zehnmal höheren Ertrag aufweisen. Tagesaktuelle Einspeisedaten mit hoher zeitlicher Auflösung sind für die Jahre ab 2011 im Internet frei zugänglich. ^[8]

Der Ertrag pro Jahr wird in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) gemessen. Standort und Ausrichtung der Module sowie Verschattungen haben wesentlichen Einfluss auf den Ertrag, wobei in Mitteleuropa Dachneigungen von 30 – 40° und Ausrichtung nach Süden den höchsten Ertrag liefern. ^[9] An der maximalen Sonnenhöhe (Mittagssonne) orientiert, sollte in Deutschland bei einer Festinstallation (ohne Nachführung) die optimale Neigung im Süden des Landes ca. 32°, im Norden ca. 37° betragen. ^[10] Praktisch empfiehlt sich ein etwas höherer Neigungswinkel, da dann sowohl zweimal am Tag (am Vormittag und am Nachmittag) als auch zweimal im Jahr (im Mai und im Juli) die Anlage optimal ausgerichtet ist. Bei Freiflächenanlagen werden deshalb in aller Regel derartige Ausrichtungen gewählt. Zwar lässt sich die über das Jahr verteilte, durchschnittliche Sonnenhöhe und damit die theoretisch optimale Neigung für jeden Breitengrad exakt berechnen ^[11] , jedoch ist entlang eines Breitengrades die tatsächliche Einstrahlung durch verschiedene, meist geländeabhängige Faktoren unterschiedlich (z.B. Verschattung oder besondere lokale Wetterlagen). Da auch die anlagenabhängige Effektivität bezüglich des Einstrahlungswinkels unterschiedlich ist, muss die optimale Ausrichtung im Einzelfall standort- und anlagenbezogen ermittelt werden. Bei diesen energetischen Untersuchungen wird die standortbezogene Globalstrahlung ermittelt, welche neben der direkten Sonneneinstrahlung auch die über Streuung (z.B. Wolken) oder Reflexion (z.B. in der Nähe befindliche Hauswände oder den Erdboden) einfallende Diffusstrahlung umfasst.

Der spezifische Ertrag ist als Wattstunden pro installierter Nennleistung (Wh/W _p bzw. kWh/kW _p ) pro Zeitabschnitt definiert und erlaubt den einfachen Vergleich von Anlagen unterschiedlicher Größe. In Süddeutschland kann man bei einer einigermaßen optimal ausgerichteten fest installierten Anlage pro Modulfläche mit 1 kW _p mit einem Jahresertrag von ca. 1.000 kWh rechnen. ^[12]

Montagesysteme für Hausdächer

Bei den Montagesystemen wird zwischen Aufdach-Systemen und Indach-Systemen unterschieden. Bei einem Aufdach-System für geneigte Hausdächer wird die Photovoltaik-Anlage mit Hilfe eines Montagegestells auf dem Dach befestigt. Diese Art der Montage wird am häufigsten gewählt, da sie für bestehende Dächer am einfachsten umsetzbar ist.

Bei einem Indach-System ist eine Photovoltaik-Anlage in die Dachhaut integriert und übernimmt deren Funktionen wie Dachdichtigkeit und Wetterschutz mit. Vorteilhaft bei solchen Systemen sind die optisch attraktivere Erscheinung sowie die Einsparung einer Dachdeckung, sodass der höhere Montageaufwand oftmals kompensiert werden kann. ^[13]

Die Aufdach-Montage eignet sich neben Ziegeldächern auch für Blechdächer, Schieferdächer oder Wellplatten. Ist die Dachneigung zu flach, können spezielle Haken diese bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Die Installation eines Aufdach-Systems ist in der Regel einfacher und preisgünstiger als die eines Indach-Systems. Ein Aufdach-System sorgt zudem für eine ausreichende Hinterlüftung der Solarmodule . Die Befestigungsmaterialien müssen witterungsbeständig sein. ^[14]

Das Indach-System eignet sich bei Dachsanierungen und Neubauten, ist jedoch nicht bei allen Dächern möglich. Ziegeldächer erlauben die Indach-Montage, Blechdächer oder Bitumendächer nicht. Auch die Form des Dachs ist maßgebend. Die Indach-Montage ist nur für ausreichend große Schrägdächer mit günstiger Ausrichtung zur Sonnenbahn geeignet. Generell setzen Indach-Systeme größere Neigungswinkel voraus als Aufdach-Systeme, um einen ausreichenden Regenwasserabfluss zu ermöglichen. Indach-Systeme bilden mit der übrigen Dacheindeckung eine geschlossene Oberfläche und sind daher aus ästhetischer Sicht attraktiver. Zudem weist ein Indach-System eine höhere mechanische Stabilität gegenüber Schnee- und Windlasten auf. Die Kühlung der Module ist jedoch weniger effizient als beim Aufdach-System, was die Leistung und den Ertrag etwas verkleinert. Eine um 1 ° höhere Temperatur reduziert die Modulleistung um ca. 0,5 %. ^[15]

Neue Entwicklungen

Bisher basiert der Großteil der Photovoltaikanlagen weltweit auf Siliziumtechnik. Daneben konnten verschiedene Dünnschichttechnologien Marktanteile gewinnen.

Als sehr aussichtsreich wird aufgrund der günstigen Herstellung die Entwicklung von Solarmodulen auf Perowskit -Basis beurteilt. Die Zellen können deutlich dünner als Siliziumzellen gebaut und damit auch in flexiblen Folien eingesetzt werden. Dadurch, dass Perowskitzellen auch grünes und blaues Licht gut verwerten können, während Siliziumzellen hauptsächlich den roten und infraroten Bereich des Lichts wandeln, gelten sie auch als aussichtsreiche Kandidaten für sog. Tandem-Solarzellen . Problematisch ist bisher jedoch noch die geringe Haltbarkeit. ^[16]

Ein 2015 erschienener Review-Artikel in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science kam zu dem Ergebnis, dass nach den beständigen Wirkungsgradsteigerungen in den letzten wenigen Jahren Perowskit-Module als ein ernstzunehmender potentieller Herausforderer für andere Solartechnologien betrachtet werden müssen. Der Wirkungsgrad sei in nur 5 Jahren von 3,8 % auf 20,1 % gestiegen und würde wohl in den nächsten Jahren auf 25 % steigen, zudem sei die Technologie günstig. Obwohl sie noch am Anfang ihrer Entwicklung stünden, hätten sie ein herausragendes Potential für Nachhaltigkeit gezeigt. Sie hätten bereits heute die niedrigste Energierücklaufzeit aller Solarmodule (bei einem Perowskitmodul wurden 0,22 Jahre ermittelt, d.h. knapp 3 Monate) und könnten perspektivisch die umweltfreundlichste Photovoltaiktechnologie sein, wenn durch weitere Entwicklung Nutzungsgrad und Haltbarkeit gesteigert werden können. ^[17]

Ein weiteres Forschungsziel ist die Entwicklung organischer Solarzellen . Dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ist es zusammen mit Partnern gelungen, eine günstige organische Solarzelle auf flexibler Folie herzustellen. ^[18]

Nutzung

Weltweites Nutzungspotenzial

Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnenenergie beträgt jährlich 1,56 · 10 ¹⁸  kWh, was knapp dem 12.000-Fachen des Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahr 2005 (1,33 · 10 ¹⁴  kWh/Jahr) entspricht. ^[19] Von dieser Energie erreicht etwa die Hälfte die Erdoberfläche ^[20] , womit sie potentiell für die photovoltaische Energiegewinnung nutzbar ist.

Die Einstrahlung hängt von der geographischen Lage ab: Nahe dem Äquator , beispielsweise in Indien , Australien , Indonesien oder Kolumbien, sind aufgrund der hohen Einstrahlungsdichte die Stromgestehungskosten niedriger als in Mitteleuropa. Zudem schwankt am Äquator die Zeit zwischen Sonnenauf- und -untergang im Jahresverlauf viel weniger als an höheren Breitengraden.

Absatzentwicklung

Weltweit wurden bis Ende 2014 Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von ca. 177 GW _p installiert. ^[6] Der Zubau 2012 betrug etwa 30 GW _p . ^[21] Im Jahr 2013 wurden weltweit ca. 39 GW zugebaut, wichtigster Markt mit rund 12 GW war China. ^[22] Hauptabsatzmarkt war 2011 mit einer installierten Leistung von 24.875 MW _p Deutschland, gefolgt von Italien. Japan fördert den Solarmarkt durch Subventionen von über 9 Mrd. US$ und will 2020 damit 28 GW _p erreichen. Indien hat ein ehrgeiziges Ausbauprogramm aufgelegt und steigerte die installierte Leistung von 10 MW _p im Dezember 2010 auf 1040 MW _p im Juli 2012. Bis 2017 wird eine Steigerung um weitere 10 GW _p im Land erwartet.

Photovoltaik-Installation weltweit

Jahr	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014
GWp installiert (gerundet)	5	7	9	16	23	40	71	101	139	177
GWp Zubau	1,4	1,5	2,5	6,7	7,4	17,1	30,2	30,0	38,4	37,2

Der Zubau neuer Anlagen hält aus mehreren Gründen an:

• die Modulpreise sind deutlich gesunken
• das allgemeine Niveau der Preise für elektrischen Strom gleicht sich den staatlich subventionierten Preisen an
• die meisten Länder der Welt betreiben eine Niedrigzinspolitik; deshalb bevorzugen Investoren diese risikoarme Anlagemöglichkeit mit relativ hoher Rendite.

Die folgenden Tabellen geben einen Überblick über die Entwicklung der installierten Nennleistung der Photovoltaikanlagen in der Europäischen Union in den Jahren 2005 bis 2014.

Installierte PV-Nennleistung in der EU in MW _p

Nr.	Staaten	2005 [23]	2006 [24]	2007 [25]	2008 [26]	2009 [27]	2010 [28]	2011 [29]	2012 [29]	2013 [30]	2014 [31]
1	Deutschland	1.910	2.743	3.846	6.019	9.959	17.370	25.094	32.703	36.402	38.301
2	Italien	46,3	50	120	458	1.157	3.484	12.783	16.152	18.065	18.450
3	Frankreich	26,3	33,9	46,7	104	335	1.197	2.949	4.085	4.625	5.600
4	Großbritannien	10,9	14,3	18,1	22,5	29,6	76,9	978	1.708	2.782	5.230
5	Spanien	57,6	175	734	3.421	3.438	3.859	4.322	4.603	4.766	4.787
6	Belgien	2,1	4,2	21,5	70,9	374	1.037	2.051	2.768	3.040	3.105
7	Griechenland	5,4	6,7	9,2	18,5	55,0	205	631	1.543	2.586	2.603
8	Tschechien	0,5	0,8	4,0	54,7	463	1.959	1.913	2.022	2.064	2.061
9	Rumänien		0,2	0,3	0,5	0,6	1,9	3,5	49,3	1.022	1.293
10	Niederlande	50,8	52,7	53,3	57,2	67,5	88,0	146	365	739	1.100
11	Bulgarien		0,1	0,1	1,4	5,7	32,3	212	915	1.019	1.020
12	Österreich	24	25,6	27,7	32,4	52,6	95,5	187	422	631	771
13	Dänemark	2,7	2,9	3,1	3,3	4,7	7,1	16,7	376	572	602
14	Slowakei	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	0,2	174	487	543	588	590
15	Portugal	3	3,4	17,9	68,0	102	131	161	228	303	419
16	Slowenien	0,2	0,4	1,0	2,0	9,0	45,5	100	222	248	256
17	Luxemburg	23,6	23,7	23,9	24,6	26,4	29,5	40,7	76,7	95	110
18	Schweden	4,2	4,9	6,2	7,9	8,8	11,4	15,7	24,1	43,2	79,4
19	Litauen	< 0,1	< 0,1	< 0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	6,2	68,1	68,1
20	Zypern	0,5	1,0	1,3	2,2	3,3	6,2	10,1	17,2	34,8	64,8
21	Malta	< 0,1	0,1	0,1	0,2	1,5	3,8	6,6	18,7	28,2	54,2
22	Ungarn	0,2	0,3	0,4	0,5	0,7	1,8	2,7	12,3	34,9	38,2
23	Kroatien									20,0	34,2
24	Polen	0,3	0,4	0,6	1,0	1,4	1,8	2,2	3,6	4,2	24,4
25	Finnland	4	4,5	5,1	5,6	7,6	9,6	11,2	11,2	11,2	11,2
26	Lettland		< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	1,5	1,5	1,5	1,5
27	Irland	0,3	0,4	0,4	0,4	0,6	0,7	0,7	0,9	1	1,1
28	Estland		< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	0,1	0,2	0,2	0,2	0,2
EU28		2.172	3.148	4.940	10.376	16.103	29.828	52.126	68.882	79.794	86.674
Daten für 2014 beruhen teilweise auf Schätzungen, tatsächliche Werte können abweichen.

Einsatzfelder

Neben der Stromgewinnung zur Netz-Einspeisung wird die Photovoltaik auch für mobile Anwendungen und Anwendungen ohne Verbindung zu einem Stromnetz, so genannte Inselanlagen , eingesetzt. Hier kann der Gleichstrom auch direkt genutzt werden. Am häufigsten finden sich daher akkugepufferte Gleichstromnetze. Neben Satelliten , Solarfahrzeugen oder Solarflugzeugen , die oft ihre gesamte Energie aus Solarzellen beziehen, werden auch alltägliche Einrichtungen, wie Wochenendhäuser, Solarleuchten , elektrische Weidezäune , Parkscheinautomaten oder Taschenrechner von Solarzellen versorgt.

Inselanlagen mit Wechselrichter können auch Wechselstromverbraucher versorgen. In vielen Ländern ohne flächendeckendes Stromnetz ist die Photovoltaik eine Möglichkeit, elektrischen Strom preisgünstiger zu erzeugen als z. B. mit einem Dieselgenerator .

Auch die Einbindung von Photovoltaikanlagen und Solarbatterien in bestehende Inselnetze stellt eine Möglichkeit dar, die Kosten der Energieproduktion deutlich zu verringern. ^[32]

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen momentan erzeugter elektrischer Leistung und eingestrahlter Lichtleistung. Je höher er ist, desto geringer kann die Fläche für die Anlage gehalten werden. Beim Wirkungsgrad ist zu beachten, welches System betrachtet wird (einzelne Solarzelle, Solarpanel bzw. -modul, die gesamte Anlage mit Wechselrichter bzw. Laderegler und Akkus und Verkabelung). Einige Bauteile sind auch von der Temperatur abhängig. So kann bei Solarzellen der Wirkungsgrad um bis zu 10 % sinken, wenn die Temperatur um 25 °C steigt. Daher erreichen viele Anlagen im Sommer nicht die theoretische Spitzenleistung, die aufgrund von Laborversuchen errechnet wurde. ^[33] Eine Kombination von Solarzellen und thermischem Sonnenkollektor , sogenannte Hybridkollektoren , steigert den Gesamtwirkungsgrad durch die zusätzliche thermische Nutzung, und kann den elektrischen Wirkungsgrad aufgrund der Kühlung der Solarzellen durch die thermischen Kollektoren verbessern. ^[34]

Die mit Solarzellen erzielbaren Wirkungsgrade werden unter standardisierten Bedingungen ermittelt und unterscheiden sich je nach verwendeter Zelltechnologie. Eine Tabelle von Wirkungsgraden einzelner Zelltechnologien findet sich hier . Besonders hohe Wirkungsgrade werden von Mehrfachsolarzellen mit Konzentrator erreicht; hier wurden im Labor bereits Wirkungrade bis ca. 46 % erreicht. ^[2] Durch die Kombination von Solarzellen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, die optisch und elektrisch hintereinander angeordnet sind, in Tandem- oder Tripelschaltung wurde der Wirkungsgrad speziell bei amorphem Silicium erhöht. Allerdings begrenzt bei einer solchen Reihenschaltung stets die Zelle mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom der Gesamtanordnung. Alternativ wurde die Parallelschaltung der optisch hintereinander angeordneten Solarzellen in Duo-Schaltung für Dünnschichtzellen aus a-Si auf dem Frontglas und CIS auf dem Rückseitenglas demonstriert.

Ein Vorteil dieser Technik ist, dass mit einfachen und günstigen optischen Einrichtungen die Solarstrahlung auf eine kleine Solarzelle gebündelt werden kann, die der teuerste Teil einer Photovoltaikanlage ist. Nachteilig ist hingegen, dass konzentrierende Systeme wegen der Lichtbündelung zwingend auf Nachführsysteme und eine Kühleinrichtung für die Zellen angewiesen sind. ^[35]

Heutige Solarmodule absorbieren einen Teil des Sonnenlichts nicht, sondern reflektieren es an ihrer Oberfläche. Daher werden sie in der Regel mit einer Antireflexionsschicht ausgestattet, die die Reflexion bereits stark vermindert. Schwarzes Silicium vermeidet diese Reflexionen fast vollständig. ^[36]

Performance Ratio

Die Performance Ratio (PR) – häufig auch Qualitätsfaktor (Q) genannt – ist der Quotient aus dem tatsächlichen Nutzertrag einer Anlage und ihrem Sollertrag. ^[37] Der „Sollertrag“ berechnet sich aus der eingestrahlten Energie auf die Modulfläche und dem nominalen Modul-Wirkungsgrad; er bezeichnet also die Energiemenge, die die Anlage bei Betrieb unter Standard-Testbedingungen (STC) und bei 100 % Wechselrichter-Wirkungsgrad ernten würde.

Real liegt der Modulwirkungsgrad auch bei unverschatteten Anlagen durch Erwärmung, niedrigere Einstrahlung etc. gegenüber den STC unter dem nominalen Wirkungsgrad; außerdem gehen vom Sollertrag noch die Leitungs- und Wechselrichterverluste ab. Der Sollertrag ist somit eine theoretische Rechengröße unter STC. Die Performance ratio ist immer ein Jahresdurchschnittswert. Beispielsweise liegt die PR an kalten Tagen über dem Durchschnitt und sinkt vor allem bei höheren Temperaturen sowie morgens und abends, wenn die Sonne in einem spitzeren Winkel auf die Module scheint.

Die Performance Ratio stieg mit der Entwicklung der Photovoltaik-Technik deutlich an: Von 50-75 % in den späten 1980er Jahren über 70 bis 80 % in den 1990er Jahren auf mehr als 80 % um ca. 2010. Für Deutschland wurden ein Median von 84 % im Jahr 2010 ermittelt, Werte von über 90 % werden in der Zukunft für möglich gehalten. ^[37] Quaschning gibt mit durchschnittlich 75 % niedrigere Werte an. Demnach können gute Anlagen Werte von über 80 % erreichen, bei sehr schlechten Anlagen sind jedoch auch Werte unter 0,6 möglich, wobei dann häufig Wechselrichterausfälle oder längerfristige Abschattungen die Ursache sind. ^[38]

Verschmutzung und Reinigung

Wie auf jeder Oberfläche im Freien (vergleichbar mit Fenstern, Wänden, Dächern, Auto etc.) können sich auch auf Photovoltaikanlagen unterschiedliche Stoffe absetzen. Dazu gehören beispielsweise Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Sand, Staub (z. B. auch Futtermittelstäube aus der Landwirtschaft), Wachstum von Pionierpflanzen wie Flechten, Algen und Moosen sowie Vogelkot.

Bei Anlagen mit Neigungswinkel um 30° ist die Verschmutzung gering; hier liegen die Verluste bei ca. 2-3 %. Stärker wirkt sich Verschmutzung hingegen bei flachen Anstellwinkeln aus, wo Verschmutzungen bis zu 10 % Verluste verursachen können. Bei Anlagen auf Tierställen von landwirtschaftlichen Betrieben sind auch höhere Verluste möglich, wenn Schmutz aus Lüftungsschächten auf der Anlage abgelagert wird. In diesen Fällen ist eine Reinigung in regelmäßigen Abständen sinnvoll. ^[39]

Stand der Technik zur Reinigung ist die Verwendung von vollentsalztem Wasser ( Demineralisiertes Wasser ), um Kalkflecken zu vermeiden. Als weiteres Hilfsmittel kommen bei der Reinigung wasserführende Teleskopstangen zum Einsatz. Die Reinigung sollte durchgeführt werden, ohne Kratzer an der Moduloberfläche zu verursachen. Zudem sollten Module überhaupt nicht und Dächer nur mit geeigneten Sicherheitsvorkehrungen betreten werden.

Auch mit einer Wärmebildkamera kann man die Verschmutzung feststellen. Verschmutzte Stellen auf den Modulen sind bei Sonneneinstrahlung wärmer als saubere Stellen.

Integration in das Stromnetz

Schwankung des Angebots

Die Erzeugung von Solarstrom unterliegt einem typischen Tages- und Jahresgang, überlagert durch Wettereinflüsse. Diese lassen sich durch Wetterbeobachtung einigermaßen zuverlässig vorhersagen.

Insbesondere im Frühling und Sommer kann Solarstrom um die Mittagszeit zur Deckung eines Teils der Mittellast genutzt werden – aber nur, wenn es das Wetter zulässt (kein bewölkter Himmel). Im Herbst und Winter (insbesondere in den Monaten November bis Januar) erzeugen die PV-Anlagen in den Regionen von den Polen bis etwa zum jeweiligen 45. Breitengrad wegen der kurzen Sonnenscheindauer und des niedrigen Sonnenstandes nur wenig Strom. Da dann für Heizung und Beleuchtung aber besonders viel Strom gebraucht wird, müssen dann auch besonders viele Kapazitäten aus anderen Energiequellen zur Verfügung stehen. Allerdings liefern Windkraftanlagen im Winter mehr Strom als im Sommer, sodass sich Photovoltaik und Windenergie jahreszeitlich sehr gut ergänzen. ^[40] Um die statistisch vorhersagbaren Tages-, Wetter- und Jahresschwankungen auszugleichen, sind aber auch Speichermöglichkeiten und schaltbare Lasten zur Verbrauchsanpassung (Smart-Switching in Verbindung mit Smart-Metering ) erforderlich.

Tagesaktuelle Einspeisedaten (für Deutschland) sind für die Jahre ab 2011 im Internet frei zugänglich. ^[41]

Übertragung

Bei einer dezentralen Stromversorgung durch viele kleine Photovoltaikanlagen (PVA) im Leistungsbereich einiger 10 kW liegen Quelle und Verbraucher nah beieinander; es gibt kaum Übertragungsverluste . Die erzeugte Leistung verlässt den Niederspannungsbereich praktisch nicht ^[42] . Der PVA-Betreiber speist die nicht selbst verbrauchte Leistung in das Niederspannungsnetz ein. Bei einem weiteren erheblichen Ausbau der Photovoltaik können regional Überschüsse entstehen, die per Stromnetz in andere Regionen transportiert werden müssen.

Energiespeicherung

Bei Inselanlagen wird die gewonnene Energie in Speichern, meist Akkumulatoren, gepuffert. Die deutlich häufigeren Verbundanlagen speisen den erzeugten Strom direkt in das Verbundnetz ein, wo er sofort verbraucht wird. Photovoltaik wird so zu einem Teil des Strommixes .

Inselanlage

Bei Inselanlagen müssen die Unterschiede zwischen Verbrauch und Leistungsangebot der Photovoltaikanlage durch Energiespeicherung ausgeglichen werden, z. B., um Verbraucher auch nachts oder bei ungenügender Sonneneinstrahlung zu betreiben. Die Speicherung erfolgt meist über einen Gleichspannungszwischenkreis mit Akkumulatoren, die Verbraucher bei Bedarf versorgen können. Neben Bleiakkumulatoren werden auch neuere Akkutechnologien mit besserem Wirkungsgrad wie Lithium-Titanat-Akkumulatoren eingesetzt. Mittels Wechselrichter kann aus der Zwischenkreis-Spannung die übliche Netzwechselspannung erzeugt werden.

Anwendung finden Inselanlagen beispielsweise an entlegenen Standorten, für die ein direkter Anschluss an das öffentliche Netz unwirtschaftlich ist. Darüber hinaus ermöglichen autonome photovoltaische Systeme auch die Elektrifizierung einzelner Gebäude (wie Schulen oder Ähnliches) oder Siedlungen in „Entwicklungsländern“, in denen kein flächendeckendes öffentliches Stromversorgungsnetz vorhanden ist. Bereits heute sind derartige Systeme in vielen nicht-elektrifizierten Regionen der Welt wirtschaftlicher als Dieselgeneratoren, wobei bisher jedoch häufig noch die Subventionierung von Diesel die Verbreitung hemmt. ^[43]

Verbundanlage

Bei kleineren Anlagen wird alle verfügbare bzw. über dem Eigenverbrauch liegende Leistung in das Verbundnetz abgegeben. Fehlt sie (z. B. nachts), beziehen Verbraucher ihre Leistung von anderen Erzeugern über das Verbundnetz. Bei größeren Photovoltaikanlagen ist eine Einspeiseregelung per Fernsteuerung vorgeschrieben, mit deren Hilfe die Einspeiseleistung reduziert werden kann, wenn die Stabilität des Versorgungsnetzes das erfordert. Bei Anlagen in einem Verbundnetz kann die lokale Energiespeicherung entfallen, da der Ausgleich der unterschiedlichen Verbrauchs- und Angebotsleistungen über das Verbundnetz erfolgt, üblicherweise durch Ausregelung durch konventionelle Kraftwerke. Bei hohen Anteilen von Solarstrom, die mit konventionellen Kraftwerken nicht mehr ausgeglichen werden können, werden jedoch weitere Integrationsmaßnahmen notwendig, um die Versorgungssicherheit zu garantieren.

Hierfür kommen eine Reihe von Power-to-X -Technologien in Frage. Neben der Speicherung sind diese insbesondere Flexibilisierungsmaßnahmen wie z.B. der Einsatz von Power-to-Heat , Vehicle-to-Grid oder die Nutzung intelligenter Netze , die bestimmte Verbraucher (z. B. Kühlanlagen, Warmwasserboiler, aber auch Wasch- und Spülmaschinen) so steuern, dass sie bei Erzeugungsspitzen automatisch zugeschaltet werden. Aus Effizienzgründen sollten zunächst bevorzugt auf die Flexibilisierung gesetzt werden, bei höheren Anteilen müssen ebenfalls Speicherkraftwerke zum Einsatz kommen, wobei zunächst Kurzfristspeicher ausreichen und erst bei sehr hohen Anteilen variabler erneuerbarer Energien auf Langfristspeicher wie Power-to-Gas gesetzt werden sollte. ^[44]

Versorgungssicherheit

Trotz des schwankenden Angebots steht die Leistung aus Photovoltaik (etwa 24 Stunden im Voraus durch Wettervorhersagen prognostizierbar) deutlich zuverlässiger zur Verfügung als die eines einzelnen Großkraftwerks. Ein Ausfall oder ein geplanter Stillstand eines Großkraftwerks hat im Stromnetz eine stärkere Auswirkung als der Ausfall einer einzelnen Photovoltaikanlage. Bei einer hohen Anzahl von Photovoltaikanlagen ergibt sich eine im Vergleich zu einer einzelnen Großanlage extrem hohe Einspeise-Zuverlässigkeit.

Um einen Ausfall großer Stromerzeuger abzusichern, müssen Kraftwerksbetreiber Reserveleistung bereithalten. Dies ist bei Photovoltaik bei einer stabilen Wetterlage nicht notwendig, da nie alle PV-Anlagen gleichzeitig in Revision oder Reparatur sind. Bei einem hohen Anteil von dezentraler Photovoltaik-Kleinanlagen muss jedoch eine zentrale Steuerung der Lastverteilung durch die Netzbetreiber erfolgen.

Während der Kältewelle in Europa 2012 wirkte die Photovoltaik netzunterstützend. Im Januar/Februar 2012 speiste sie zur Mittagsspitze zwischen 1,3 und 10 GW Leistung ein. Aufgrund des winterbedingt hohen Stromverbrauchs musste Frankreich ca. 7–8 % seines Strombedarfs importieren, während Deutschland exportierte. ^[45]

Wirtschaftlichkeit

Volkswirtschaftliche Betrachtung

Solarstrom verursacht geringere Umweltschäden als Energie aus fossilen Energieträgern ^[46] oder Kernkraft und senkt somit die externen Kosten der Energieerzeugung (s.a. externe Kosten bei Stromgestehungskosten ).

Noch im Jahre 2011 betrugen die Kosten der Vermeidung von CO ₂ -Emissionen durch Photovoltaik 320 € je vermiedener Tonne CO ₂ und waren damit teurer als bei anderen erneuerbaren Energiequellen, der Modernisierung des konventionellen Kraftwerksparks oder Maßnahmen zur Energieeinsparung (Gebäudeisolierung), die Kosten von bis zu 45 € je Tonne CO ₂ verursachen oder sogar Kostenersparnisse erwirtschaften. ^[47] Durch die starke Kostensenkung der Photovoltaik sind die Vermeidungskosten einer Hausdachanlage in Deutschland jedoch auf ca. 17-70 € je Tonne CO ₂ gefallen, womit die Solarstromerzeugung günstiger ist als die Kosten für Klimawandelfolgeschäden, die mit 80 € je Tonne CO ₂ angesetzt werden. In sonnenreicheren Gegenden der Welt werden sogar Vorteile bis ca. 380€ je Tonne vermiedener CO ₂ -Emissionen erzielt. ^[48]

Wie viel CO ₂ -Emissionen durch Photovoltaik tatsächlich vermieden werden, hängt dabei auch von der Koordination des EEGs mit dem EU-Emissionshandel ab.

Ende 2011 sah der US-Wirtschaftsnobelpreisträger Paul Krugman die Photovoltaik aufgrund sinkender Modulkosten kurz vor ihrer Wettbewerbsfähigkeit, insbesondere wenn die externen Kosten fossiler Energieträger in den Preisen mit berücksichtigt würden. ^[49] Im Februar 2012 dokumentierte das Fraunhofer ISE , dass die kontinuierlich sinkenden Stromgestehungskosten für kleine Photovoltaikanlagen (< 10 kW) im 3. Quartal 2011 mit 24,67 ct/kWh das Preisniveau von Haushaltsstrom erreicht haben. Aufgrund der bisherigen Preisentwicklung erwartet das ISE, dass die Kosten proportional mit dem Zuwachs der installierten Leistung fallen. ^[50]

Betriebswirtschaftliche Betrachtung

Anschaffungskosten und Amortisationszeit

Der durchschnittliche Preis für Anlagen bis 100 kW _p lag im Dezember 2014 in Deutschland bei 1240 € netto je kW _p . ^[51] Dieser Preis enthält neben den Modulen auch Wechselrichter, Montage und Netzanschluss. Eine in Deutschland installierte Anlage liefert je nach Lage und Ausrichtung einen Jahresertrag von etwa 700 bis 1100 kWh und benötigt bei Dachinstallation 6,5 bis 7,5 m² Fläche pro kW _p Leistung.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) garantiert in Deutschland den Betreibern von Photovoltaik-Anlagen feste Einspeisevergütungen für den ins Netz eingespeisten Strom (ab Juli 2015: 8,57 bis 12,76 ct/kWh über 20 Jahre). ^[52] Der Betrieb von Photovoltaik-Anlagen kann dadurch wirtschaftlich lohnend sein. Die Amortisation ist abhängig vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme (aufgrund sinkender gesetzlicher Vergütungen), der Sonneneinstrahlung, der Ausrichtung und Neigung der Anlage sowie dem Anteil der Fremdfinanzierung.

In Österreich lag der Preis für Photovoltaikanlagen im Jahr 2013 durchschnittlich bei 1792 Euro je kW _p und somit deutlich über dem in Deutschland im selben Jahr durchschnittlich zu zahlenden Preis von 1510 Euro je kW _p . ^[53]

Stromgestehungskosten

Photovoltaik galt lange als die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbaren Energien. Durch den starken Preisverfall hat sich dies mittlerweile geändert, sodass Photovoltaik inzwischen konkurrenzfähig zu anderen regenerativen und konventionellen Arten der Stromerzeugung ist. In manchen Teilen der Welt werden PV-Anlagen mittlerweile ganz ohne Förderung installiert. ^[3] Nach Swansons Gesetz fällt der Preis der Solarmodule mit der Verdopplung der transportierten Module um 20 %. ^[54] Historisch fielen die Modulkosten seit 1980 um 10 % pro Jahr; ein Trend, dessen weitere Fortsetzung wahrscheinlich ist. ^[55]

Die Stromgestehungskosten von Photovoltaikanlagen in Deutschland lagen im dritten Quartal 2013 zwischen 7,8 und 14,2 ct/kWh ^[56] bzw. 0,09 und 0,14 $/kWh. Damit liegen die Stromgestehungskosten von Photovoltaikanlagen mittlerweile auf dem gleichen Niveau wie die Stromgestehungskosten von neuen Kernkraftwerken wie Hinkley Point C mit prognostizierten Kosten von 0,14 $/kWh im Jahr 2023. Ein direkter Vergleich ist jedoch schwierig, da eine Reihen von weiteren Faktoren wie die wetterabhängige Produktion von der Photovoltaik, die Endlagerung sowie die Versicherung der Anlagen berücksichtigt werden müssen. ^[55]

Seit dem Jahr 2011 liegen die Stromgestehungskosten in Deutschland unterhalb des Haushaltsstrompreises, womit die Netzparität erreicht ist. ^[57] Im Januar 2014 war in mindestens 19 Märkten die Netzparität erreicht; die Wirtschaftlichkeit für Endverbraucher wird von einer Vielzahl an Analysedaten gestützt. ^[3] Das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) stellt fest, dass die Kosten für Photovoltaik bislang weit schneller gesunken sind als noch vor kurzem erwartet. So sei in einem jüngsten Bericht der EU-Kommission noch von Kapitalkosten ausgegangen worden, die „bereits heute zum Teil unterhalb der Werte liegen, die die Kommission für das Jahr 2050 erwarte“. ^[58] Als günstigster Solarpark weltweit gilt eine Anlage in Dubai , der eine Einspeisevergütung von 6 US-Cent/kWh erhält (Stand 2014). ^[55]

Bis 2025 wird Solarstrom in sonnigen Regionen der Welt billiger als Kohle- oder Gasstrom sein, so eine Studie des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme. So werden sich bis 2025 die Erzeugungskosten in Mittel- und Südeuropa auf 4-6 Cent pro Kilowattstunde verringern, bis 2050 auf 2-4 Cent. Zugrunde liegen konservative Annahmen zur technologischen Weiterentwicklung von Solaranlagen. ^[59]

Stromgestehungskosten von Photovoltaikanlagen in Cent/Kilowattstunde zum Installationszeitpunkt ^[60]

Investition / Ertrag pro kW p	700 kWh/a	800 kWh/a	900 kWh/a	1000 kWh/a	1100 kWh/a	1500 kWh/a	2000 kWh/a
200 €/kW p	6,8	5,9	5,3	4,7	4,3	3,2	2,4
400 €/kW p	8,4	7,4	6,5	5,9	5,3	3,9	2,9
600 €/kW p	10,0	8,8	7,8	7,0	6,4	4,7	3,5
800 €/kW p	11,7	10,2	9,1	8,2	7,4	5,5	4,1
1000 €/kW p	13,3	11,7	10,4	9,3	8,5	6,2	4,7
1200 €/kW p	15,0	13,1	11,6	10,5	9,5	7,0	5,2
1400 €/kW p	16,6	14,5	12,9	11,6	10,6	7,8	5,8
1600 €/kW p	18,3	16,0	14,2	12,8	11,6	8,5	6,4
1800 €/kW p	19,9	17,4	15,5	13,9	12,7	9,3	7,0
2000 €/kW p	21,5	18,8	16,7	15,1	13,7	10,0	7,5

Die nebenstehende Tabelle bildet die Stromgestehungskosten in ct/kWh entsprechend einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ab. ^[61] Die Annahmen folgen abgesehen von Investitionskosten und Ertrag der Studie: Der zugrunde gelegte reale gewichtete durchschnittliche Kapitalkostensatz beträgt 2,8 %, die jährlichen Betriebskosten 35 €/kWp und die jährliche Minderung des Ertrags 0,2 %.

Andere Betriebskosten oder Ertragsminderungen können die Werte der Tabelle verändern. Weiterhin wird von einer Nutzungsdauer von 25 Jahren ausgegangen. Da Photovoltaikanlagen keine beweglichen Teile enthalten, sind sie sehr langlebig; es ist durchaus denkbar, dass sie auch über diesen Zeitraum hinaus nutzbar bleiben. Es wird davon ausgegangen, dass Demontage- und Entsorgungskosten dem Restwert der Anlage entsprechen. Für die Berechnung der durchschnittlichen Kosten je Kilowattstunde zu Preisen des Jahrs der Installation sind sowohl Kosten als auch Ertrag mit dem zuvor verwendeten realen Kapitalkostensatz diskontiert. Weiterhin gelten die Stromgestehungskosten nur für den Fall, dass der erzeugte Strom auch vollständig verbraucht wird.

Zur Veranschaulichung ist die Tabelle farblich abgestuft: Weiße Kästchen stehen hierbei für Kosten, die unter dem Strompreis von 9,71 ct/kWh für industrielle Großverbraucher in Deutschland ^[62] liegen, grau hinterlegte liegen darüber. Sämtliche Werte liegen unter dem durchschnittlichen Privatkundenpreis im Jahr 2014 von 29,13 ct/kWh. ^[63] In Deutschland liegen die Erträge bei nicht nachgeführten Anlagen zwischen 700 und 1200 kWh Ertrag je Jahr und kW _p . Die Werte für den durchschnittlichen Ertrag für neue Anlagen sind in der Tabelle kursiv hervorgehoben.

Im Sommer 2014 hat die Investmentbank Lazard mit Sitz in New York eine Studie zu den aktuellen Stromgestehungskosten der Photovoltaik in den USA im Vergleich zu konventionellen Stromerzeugern veröffentlicht. Die günstigsten großen Photovoltaikkraftwerke können Strom mit 60 USD pro MWh produzieren. Der Mittelwert solcher Großkraftwerke liegt aktuell bei 72 USD pro MWh und die Obergrenze bei 86 USD pro MWh. Im Vergleich dazu liegen Kohlekraftwerke zwischen 66 USD und 151 USD pro MWh, Atomkraft bei 124 USD pro MWh. Kleine Photovoltaikaufdachanlagen liegen jedoch noch bei 126 bis 265 USD pro MWh, welche jedoch auf Stromtransportkosten verzichten können. Onshore-Windkraftanlagen liegen zwischen 37 und 81 USD pro MWh. Ein Nachteil sehen die Stromversorger der Studie nach in der Volatilität von Solar- und Windstrom. Eine Lösung sieht die Studie in Batterien als Speicher , die bislang jedoch noch teuer seien. ^[64]

Modulpreise

Spotmarkt Preisindex in Euro je kW _p (netto) von Photovoltaikmodulen (Großhandelspreis) ^[65]

Modultyp	Kristallin				Dünnschicht
Herkunft/Typ	Deutschland	China/SO Asien	Japan		CdS/CdTe	a-Si	µ-Si
Jul 2007	~ 3250	~ 3000	~ 3220		~ 2350	~ 2350
Jan 2009	3190	2950	3160		2100		2210
Jan 2010	2030 (−36 %)	1550 (−47 %)	1910 (−40 %)		1610 (−23 %)	–	1380 (−38 %)
Jan 2011	1710 (−16 %)	1470 (−5 %)	1630 (−15 %)		1250 (−22 %)	1080	1260 (−9 %)
Jan 2012	1070 (−37 %)	790 (−46 %)	1050 (−36 %)		680 (−46 %)	600 (−44 %)	760 (−40 %)
Jan 2013	780 (−27 %)	530 (−33 %)	830 (−21 %)		560 (−18 %)	420 (−30 %)	520 (−32 %)
Herkunft	Deutschland	China	Japan, Korea	SO Asien, Taiwan
Jan 2014	690 (-13 %)	580 (+9 %)	700 (-19 %)	530
Jan 2015	600 (-13 %)	540 (-7 %)	610 (-13 %)	460 (-13 %)
Jan 2016	590 (-2 %)	560 (+4 %)	660 (+8 %)	480 (+4 %)

Die Modulpreise sind in den letzten Jahren stark gesunken, getrieben durch Skaleneffekte, technologische Entwicklungen, Normalisierung des Solarsiliziumpreises und durch den Aufbau von Überkapazitäten und Konkurrenzdruck bei den Herstellern. Die durchschnittliche Preisentwicklung seit Januar 2009 nach Art und Herkunft ist in der nebenstehenden Tabelle dargestellt. Infolge der Marktankurbelung durch Einspeisevergütungen in Deutschland, Italien und einer Reihe weiterer Staaten sowie der damit einhergehenden sehr steilen Lernkurve kam es zu einem drastischen Kostenrückgang bei den Modulpreisen, die von 6 bis 7 US-Dollar/Watt im Jahr 2000 auf 0.5 bis 0.6 $/Watt im Jahr 2013 fielen. ^[66] Die weitere Preisentwicklung hängt von der Entwicklung der Nachfrage sowie von den technischen Entwicklungen ab. Die niedrigen Preise für Dünnschichtanlagen relativieren sich teilweise für die fertige Anlage durch den aufgrund des geringeren Wirkungsgrades höheren Installationsaufwand für Anlagen gleicher Leistung. Es handelt sich bei den angegebenen Preisen nicht um Endkundenpreise; die Kosten für die Module haben lediglich einen Anteil von 40–50 % an den Gesamtkosten (Stand 2012). ^[67]

Weitere Entwicklung

Insgesamt wächst der Photovoltaikmarkt immer noch stark (um ca. 40 % jährlich); allerdings sind andere erneuerbare Energien, insbesondere die Windkraft an Land, deutlich günstiger je kWh erzeugter Energie. Da die Mehrkosten für erneuerbare Energie entsprechend dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf alle Verbraucher umgelegt werden, und dies zu erheblichen Mehrbelastungen und Wettbewerbsnachteilen führt, werden die Vergütungssätze entsprechend dem Zubau gesenkt. Im Ergebnis werden günstigere Energieerzeuger bevorzugt.

Bloomberg New Energy Finance sieht einen sog. tipping point bei Wind- und Solarenergie. Die Preise für Wind- und Solarstrom seien in den letzten Jahren stark gefallen und würden heute (1/2014) in einigen Bereichen bzw. Teilen der Welt bereits unter den Preisen der konventionellen Stromerzeugung liegen. Die Preise würden weiter fallen. Die Stromnetze seien weltweit stark ausgebaut worden, so dass diese nun auch Strom aus erneuerbaren Energien aufnehmen und verteilen könnten. Zudem hätten die erneuerbaren Energien weltweit dafür gesorgt, dass die Strompreise stark unter Druck geraten seien. Zudem würden die erneuerbaren Energien enthusiastisch von den Verbrauchern aufgenommen. Bereits im Jahr 2014 soll dieser Systemwechsel für sehr viele Menschen offensichtlich werden. ^[68]

Im Juni 2014 stuft Barclays Anleihen von US-Stromversorgern wegen der Konkurrenz durch die Kombination aus Photovoltaik und Energiespeichern, welche zu einem verstärkten Eigenverbrauch führt, herunter. Dies könne das Geschäftsmodell der Stromversorger verändern. Barclays: „Wir rechnen damit, dass in den nächsten paar Jahren sinkende Preise für dezentrale Photovoltaik-Anlagen und private Stromspeicher den Status Quo durchbrechen werden“ und „In der über 100-jährigen Geschichte der Stromversorger gab es bisher noch keine wettbewerbsfähige Alternative zum Netzstrom. Wir sind überzeugt, dass Photovoltaik und Speicher das System in den nächsten zehn Jahren umgestalten können.“ ^[69]

Umweltauswirkungen

Produktion

Die Umweltauswirkungen bei der Silizium-Technologie und bei der Dünnschichttechnologie sind die typischen der Halbleiterfertigung, mit den entsprechenden chemischen und energieintensiven Schritten. Die Reinstsiliziumproduktion bei der Silizium-Technologie ist aufgrund des hohen Energieaufwandes und dem Aufkommen an Nebenstoffen maßgebend. Für 1 kg Reinstsilizium entstehen bis zu 19 kg Nebenstoffe. Da Reinstsilizium meist von Zulieferfirmen produziert wird, ist die Auswahl der Lieferfirmen unter Umweltaspekten entscheidend für die Umweltbilanz eines Moduls. Bei der Dünnschichttechnologie ist die Reinigung der Prozesskammern ein sensibler Punkt. Hier werden oft die klimaschädlichen Stoffe Stickstofftrifluorid und Schwefelhexafluorid verwendet. Der CdTe-Technologie wird auf Grund ihrer kurzen Energierücklaufzeit das beste Umweltverhalten auf einer Lebenszyklus-Basis zugeschrieben. ^[70]

Betrieb

2011 bestätigte das Bayerische Landesamt für Umwelt, dass CdTe-Solarmodule im Fall eines Brandes keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. ^[71]

Durch die absolute Emissionsfreiheit im Betrieb weist die Photovoltaik sehr niedrige externe Kosten auf. Liegen diese bei Stromerzeugung aus Stein- und Braunkohle bei circa 6 bis 8 ct/kWh, betragen sie bei Photovoltaik nur etwa 1 ct/kWh (Jahr 2000). Zu diesem Ergebnis kommt ein Gutachten ^[72] des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung . Zum Vergleich sei der dort ebenfalls genannte Wert von 0,18 ct/kWh externer Kosten bei solarthermischen Kraftwerken genannt.

Treibhausgasbilanz

Auch wenn es im Betrieb selbst keine CO _2e -Emissionen gibt, so lassen sich Photovoltaikanlagen derzeit noch nicht CO _2e -frei herstellen, transportieren und montieren. Die rechnerischen CO _2e -Emissionen von Photovoltaikanlagen betragen Stand 2013 je nach Technik und Standort zwischen 10,5 und 50 g CO _2e /kWh, mit Durchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO _2e /kWh. ^[73] Eine neuere Studie aus dem Jahr 2015 ermittelte durchschnittliche Werte von 29,2 g/kWh. ^[74] Verursacht werden diese Emissionen durch Verbrennung fossiler Energien insbesondere während der Fertigung von Solaranlagen. Mit weiterem Ausbau der erneuerbaren Energien im Zuge der weltweiten Transformation zu nachhaltigen Energieträgern wird sich die Treibhausgasbilanz damit automatisch verbessern. ^[3] Ebenfalls sinkende Emissionen ergeben sich durch die technologische Lernkurve . Historisch betrachtet sanken die Emissionen um 14 % pro Verdopplung der installierten Leistung (Stand 2015). ^[3]

Nach einem ganzheitlichen Vergleich der Ruhr-Universität Bochum von 2007 lag der CO _2e -Ausstoß bei der Photovoltaik noch bei 50–100 g/kWh, wobei vor allem die verwendeten Module und der Standort entscheidend waren. Im Vergleich dazu lag er bei Kohlekraftwerken bei 750–1200 g/kWh, bei GuD-Gaskraftwerken bei 400–550 g/kWh, bei Windenergie und Wasserkraft bei 10–40 g/kWh, bei der Kernenergie bei 10–30 g/kWh (ohne Endlagerung), und bei Solarthermie in Afrika bei 10–14 g/kWh. ^[75]

Energetische Amortisation

Die Energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen ist der Zeitraum, in dem die Photovoltaikanlage die gleiche Energiemenge geliefert hat, die während ihres gesamten Lebenszyklus benötigt wird; für Herstellung, Transport, Errichtung, Betrieb und Rückbau bzw. Recycling .

Sie beträgt derzeit (Stand 2013) zwischen 0,75 und 3,5 Jahren, je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktechnologie. Am besten schnitten CdTe -Module mit Werten von 0,75–2,1 Jahren ab, während Module aus amorphem Silizium mit 1,8 bis 3,5 Jahren über dem Durchschnitt lagen. Mono- und multikristalline Systeme sowie Anlagen auf CIS-Basis lagen bei etwa 1,5 bis 2,7 Jahren. Als Lebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre für Module auf Basis kristalliner Siliziumzellen und 20 bis 25 Jahren für Dünnschichtmodule angenommen, für die Lebensdauer der Wechselrichter wurden 15 Jahre angenommen. ^[76] Bis zum Jahr 2020 wird eine Energierücklaufzeit von 0,5 Jahren oder weniger für südeuropäische Anlagen auf Basis von kristallinem Silizium als erreichbar angesehen. ^[77]

Bei einem Einsatz in Deutschland wird die Energie, die zur Herstellung einer Photovoltaikanlage benötigt wird, in Solarzellen in etwa zwei Jahren wieder gewonnen. Der Erntefaktor liegt unter für Deutschland typischen Einstrahlungsbedingungen bei mindestens 10, eine weitere Verbesserung ist wahrscheinlich. ^[78] Die Lebensdauer wird auf 20 bis 30 Jahre geschätzt. Seitens der Hersteller werden für die Module im Regelfall Leistungs-Garantien für 25 Jahre gegeben. Der energieintensiv hergestellte Teil von Solarzellen kann 4- bis 5-mal wiederverwertet werden.

Flächenverbrauch

PV-Anlagen werden überwiegend auf bestehenden Dach- und über Verkehrsflächen errichtet ^[78] , was zu keinem zusätzlichen Flächenbedarf führt. Freilandanlagen sind nur EEG-vergütungsfähig, wenn bereits belastete Flächen wie Konversionsflächen (aus militärischer, wirtschaftlicher, verkehrlicher oder wohnlicher Nutzung), Flächen entlang von Autobahnen und Bahnlinien (im 110 m Streifen), Flächen die als Gewerbe- oder Industriegebiet ausgewiesen sind oder versiegelte Flächen (ehem. Deponien, Parkplätze etc.) verwendet werden. Diese Flächen stellen keine Flächenversiegelung dar. Einen neuen Designansatz verfolgen Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology, indem sie ihre Solarmodule im 3-dimensionalen Raum ausrichten, woraus ein deutlich verminderter Flächenbedarf und eine gesteigerte Effizienz der Anlage resultieren. ^[79]

Recycling von PV-Modulen

Bisher läuft die einzige Recyclinganlage (spezialisierte Pilotanlage) für kristalline Photovoltaikmodule in Europa im sächsischen Freiberg. ^[80] Die Firma Sunicon GmbH (früher Solar Material), ein Tochterunternehmen der SolarWorld, erzielte dort im Jahr 2008 eine massenbezogene Recyclingquote bei Modulen von durchschnittlich 75 % bei einer Kapazität von ca. 1200 Tonnen pro Jahr. Die Abfallmenge von PV-Modulen in der EU lag 2008 bei 3.500 Tonnen/Jahr. Geplant ist durch weitgehende Automatisierung eine Kapazität von ca. 20.000 Tonnen pro Jahr. ^[81]

Zum Aufbau eines freiwilligen, EU-weiten, flächendeckenden Systems zur Wiederverwertung gründete die Solarindustrie als gemeinsame Initiative im Jahr 2007 den Verband PV CYCLE. ^[82] Es werden in der EU bis 2030 ansteigend ca. 130.000 t ausgediente Module pro Jahr erwartet. Als Reaktion auf die insgesamt unbefriedigende Entwicklung fallen seit 24. Januar 2012 auch Solarmodule unter eine Novellierung der Elektroschrott-Richtlinie. ^[83] Für die PV-Branche sieht die Novelle vor, dass 85 Prozent der verkauften Solarmodule gesammelt und zu 80 Prozent recycelt werden müssen. Bis 2014 müssen alle EU-27-Mitgliedsländer die Verordnung in nationales Recht umsetzen. Man will dadurch die Hersteller in die Pflicht nehmen, Strukturen für die Wiederverwertung bereitzustellen. Die Trennung der Module von anderen Elektrogeräten wird dabei bevorzugt und bereits existierende Sammel- und Recyclingstrukturen sollen ausgebaut werden.

Staatliche Behandlung

Die Erzeugung elektrischen Stroms mittels Photovoltaik wird in vielen Staaten gefördert. Nachstehend ist eine (unvollständige) Liste von verschiedenen regulatorischen Rahmenbedingungen in einzelnen Staaten aufgeführt.

Deutschland

Ende 2014 waren nach Angaben der Bundesnetzagentur rund 38 GW elektrische Nettoleistung installiert. Die Unternehmensberatung Roland Berger und die Prognos AG halten bis 2020 einen Ausbau auf 70 GW für realistisch. Unter der Annahme, dass elektrische Energie verlustfrei gespeichert werden könnte, wären bei einem durchschnittlichen jährlichen Ertrag von 900 kWh je kW _p für eine Energieversorgung ausschließlich mit Photovoltaik insgesamt rund 690 GW zu installieren. ^[84]

Förderprogramme

In Deutschland gibt es eine gesetzlich geregelte und über 20 Jahre gewährte Einspeisevergütung ; die Höhe ist im Erneuerbare-Energien-Gesetz geregelt. Die Einspeisevergütung ist degressiv gestaltet, fällt also für neue Anlagen pro Jahr um einen gewissen Prozentsatz. Zudem gibt es zwölf weitere Programme, die die Anschaffung einer Photovoltaikanlage fördern sollen.

Auf Bundesebene kann die sogenannte Investitionszulage für Photovoltaikanlagen im produzierenden Gewerbe und im Bereich der produktionsnahen Dienstleistungen in Form von Steuergutschriften genehmigt werden.

Daneben stellt die KfW-Förderbank folgende Programme zur Verfügung:

• KfW – erneuerbare Energien – Standard
• KfW – Kommunalkredit
• BMU – Demonstrationsprogramm
• KfW – kommunal investieren.

Die Fördergelder der KfW-Förderbank werden im Gegensatz zur Investitionszulage ausschließlich als Darlehen genehmigt und über die jeweilige Hausbank zur Verfügung gestellt.

Des Weiteren haben folgende Bundesländer eigene Solarfördergesetze erlassen:

• Bayern – rationelle Energiegewinnung und -verwendung im Gewerbe – (Zuschuss)
• Niedersachsen – Innovationsförderprogramm (Gewerbe) – (Darlehen / in Ausnahmen Zuschuss)
• Nordrhein-Westfalen – progres.nrw „Rationelle Energieverwendung, Regenerative Energien und Energiesparen“ – (Zuschuss)
• Rheinland-Pfalz – energieeffiziente Neubauten – (Zuschuss)
• Saarland – Zukunftsenergieprogramm Technik (ZEP-Tech) 2007 (Demonstrations-/Pilotvorhaben) – (Zuschuss).

Weitere Fördermittel und Zuschüsse werden auch von zahlreichen Städten und Kommunen, lokalen Klimaschutzfonds sowie einigen privaten Anbietern angeboten. ^[85] Diese können teilweise mit anderen Förderprogrammen kombiniert werden.

Ein lokales Förderprogramm bietet die oberbayerische Stadt Burghausen mit 50 € je 100 W _p installierte Leistung bis max. 1.000 € pro Anlage und Wohngebäude. ^[86]

Steuerliche Behandlung

Bei einem Jahresumsatz bis 17.500 € gilt die Kleinunternehmerregelung nach § 19 UStG . Als Kleinunternehmer muss man keine Steuererklärung abgeben, darf dem Abnehmer aber auch keine Umsatzsteuer in Rechnung stellen. Als umsatzsteuerpflichtiger Unternehmer (Kleinunternehmer können zur Steuerpflicht optieren) hat man nicht nur das Recht, die Vorsteuer auf alle Investitionen erstattet zu bekommen, man kann auch zusätzlich zur Einspeisevergütung dem Abnehmer die Umsatzsteuer in Rechnung stellen. Diese ist dann an das Finanzamt abzuführen.

Für die Einkünfte aus der Photovoltaikanlage gilt § 15 EStG . Ein eventueller Verlust mindert die Steuerlast, wenn hierbei keine Liebhaberei vorliegt. Dies wäre der Fall, wenn sich anhand einer auf 20 Jahre Betriebsdauer der Anlage gerichteten Berechnung ergibt, dass der Betrieb der Anlage insgesamt Verlust erwirtschaftet. Soweit einschlägige Renditeberechnungsprogramme einen Steuervorteil berücksichtigen, muss diese Problematik berücksichtigt werden.

Da es für die Gewerbesteuer einen Freibetrag von 24.500 € für natürliche Personen und Personengesellschaften gibt ( § 11 Abs. 1 Nr. 1 GewStG ), fallen meist nur große Anlagen unter die Gewerbesteuer.

Dämpfender Effekt auf die Börsenstrompreise

PV eignet sich als Lieferant von Spitzenlaststrom, da sie zur „Kochspitze“ am Mittag die höchsten Erträge erzielt, und verdrängt teure Gas- und Steinkohlekraftwerke aus dem Markt. Solarenergie dämpft daher die Börsenpreise für Spitzenstrom ( „Merit-Order-Effekt“ ). Die Spitzenpreise für Strom sind in den letzten Jahren parallel zum Ausbau der Solarenergie im Vergleich zum Durchschnittspreis stark zurückgegangen. Im Sommer sind die früheren Tagesspitzen weitgehend verschwunden. ^[87] Dieser preissenkende Effekt kommt durch die fehlerhafte Konstruktion des EEG-Ausgleichsmechanismus jedoch nicht beim Privatkunden an, sondern verteuert paradoxerweise die Stromkosten von Privatkunden, während hingegen die Industrie von den gesunkenen Beschaffungskosten an der Strombörse profitiert. ^[88]

Der Strompreis an der Strombörse war bis zum Jahr 2008 kontinuierlich gestiegen und erreichte im Jahr 2008 das Maximum von 8,279 Cent/kWh. Durch das vermehrte Auftreten der erneuerbaren Energien ist der Strompreis unter Druck geraten. ^{[89] [90]} Im ersten Halbjahr 2013 betrug der mittlere Strompreis an der Strombörse nur noch 3,75 Cent/kWh und für den Terminmarkt 2014 lag dieser im Juli 2013 bei 3.661 Cent/kWh. ^{[91] [92]}

Krise der Solarindustrie

Aufgrund stark gesunkener Modulpreise im Zuge billiger Importe aus China ist die deutsche Solarindustrie wie auch die europäische in eine Krise geraten. Zahlreiche Hersteller meldeten Insolvenz an. Im Mai 2013 verhängte die EU-Kommission Strafzölle gegen China, da dieses Land durch enorme staatliche Subventionen unter den Herstellungskosten verkauft ( Dumping ). Die Strafzölle sind in der Branche und unter Umweltverbänden umstritten. Ende Juli einigten sich China und die EU auf einen Mindestpreis von 56 ct/W _p und eine jährliche Höchstliefermenge von 7 GW.

China

Der Ausbau von Photovoltaik wird von der chinesischen Regierung stark vorangetrieben. Die chinesischen Nationalen Energieagentur hat ihre Ausbauziele zuletzt um 30 % erhöht und 2015 Deutschland als größten Installateur von Photovoltaik sowohl insgesamt (21,3 GW) als auch pro Kopf der Bevölkerung der neu installierten Leistung (16,3 W) überholt. ^[93]

Japan

Ein Jahr nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima hat die japanische Regierung ein Gesetz nach dem Vorbild des deutschen EEG beschlossen. Seit 1. Juli 2012 wird bei Photovoltaikanlagen mit einer Leistung ab zehn Kilowatt eine Einspeisevergütung von 42 Yen /kWh gezahlt (umgerechnet etwa 0,36 €/kWh). ^[94] Diese Vergütung wird 20 Jahre lang gezahlt. Kleinere Anlagen bis 10 kW werden nur zehn Jahre lang gefördert.

Rumänien

Der rumänische Staat vergibt aufgrund eines Gesetzes vom November 2011 grüne Zertifikate, gegenwärtig sechs Zertifikate je 1000 kWh bis zum 31. Dezember 2013. Eine Reduzierung der Zahl der Zertifikate ist für das Jahr 2014 geplant. Der Wert der grünen Zertifikate wird an der Börse ausgehandelt und sinkt mit der Menge des erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien. Im Februar 2012 belief sich der Preis für ein Zertifikat auf umgerechnet 55 €, so dass für 1 kWh 0,33 € gezahlt wurde. Allerdings kann der Preis auch auf rund die Hälfte sinken. ^[95]

Schweiz

In der Schweiz existieren zwei Förderungsmodelle: Die Einmalvergütung (EIV) und die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV). Solaranlagen unter 10 kWp können nur EIV beantragen, solche zwischen 10 und 30 kWp können zwischen EIV und KEV wählen, während für grössere Anlagen nur die KEV in Frage kommt.

Die EIV soll etwa 30 % der Investitionskosten rückvergüten. Dafür werden aber nicht die realen Kosten, sondern der Preis einer entsprechenden theoretischen Referenzanlage zugrunde gelegt. Entsprechend der sinkenden Kosten für Solaranlagen verringerte sich in den letzten Jahren auch die EIV. Auch bei Inanspruchnahme der EIV ist die Abnahme des Stroms durch die Netzbetreiber garantiert, aber nur zu Marktpreisen. Bei der KEV kauft der Netzbetreiber den Strom der Anlage zu investitionsdeckenden Preisen. Die dabei entstehenden Kosten werden auf alle Stromverbraucher umgelegt.

Die Koordination der Förderprogramme erfolgt durch Swissgrid. ^[96]

Sierra Leone

Im westafrikanischen Staat Sierra Leone soll bis Ende 2016 etwa ein Viertel des erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien, vor allem aus Solarenergie, stammen. In der Nähe der Hauptstadt Freetown soll mit 6 MW Leistung Westafrikas größter Solarpark entstehen. ^[97] In Koindu wird nachts das Stadtzentrum von einer solarbasierten Straßenbeleuchtung erhellt. Diese ist seit Juli 2013 in Betrieb. Außerdem werden Teile der Straße nach Yenga , einem Dorf an der Grenze zu Guinea und Liberia , ebenfalls von Photovoltaikbeleuchtungen erhellt. ^[98]

Literatur

•   Arno Bergmann: VDE Schriftenreihe 138; „Photovoltaikanlagen“ Normgerecht errichten, betreiben, herstellen und konstruieren . VDE, Berlin / Offenbach 2011 , ISBN 978-3-8007-3377-4 .
• Adolf Goetzberger , Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik – Physik und Technologie der Solarzelle. 2. Auflage, Teubner, Stuttgart 1997, ISBN 3-519-13214-1 .
• Heinrich Häberlin: Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen. VDE, Berlin 2010, ISBN 978-3-8007-3205-0 .
• Ingo Bert Hagemann: Gebäudeintegrierte Photovoltaik : Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle. Müller, Köln 2002, ISBN 3-481-01776-6 (Zugleich Dissertation an der RWTH Aachen 2002).
• Ralf Haselhuhn: Leitfaden Photovoltaische Anlagen. 4. Auflage. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Berlin 2010, ISBN 978-3-00-030330-2 (3. Auflage: mit Claudia Hemmerle)
• Ralf Haselhuhn: Photovoltaik – Gebäude liefern Strom. 7., vollständig überarbeitete Auflage. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8737-2 (Grundlagen Recht, Normen, Erträge, Qualität, Stand der Technik. Auch Lehrbuch).
• Mertens, Konrad: Photovoltaik. 3. neu bearbeitete Auflage. Hanser Fachbuchverlag, 2015, ISBN 978-3-446-44232-0 .
• Martin Kaltschmitt , Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte . Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-03248-6 .
• Volker Quaschning : Regenerative Energiesysteme. 9. Auflage. Hanser, München 2015, ISBN 978-3-446-44267-2 .
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 3. Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43809-5 .
• Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich: Photovoltaik – Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-8348-0637-6 .
• Viktor Wesselak , Sebastian Voswinckel: Photovoltaik: Wie Sonne zu Strom wird. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-24296-0 .
• Viktor Wesselak, Thomas Schabbach , Thomas Link, Joachim Fischer, Regenerative Energietechnik , 2. erweiterte und vollständig neu bearbeitete Auflage, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-24165-9 .