Photovoltaik und was Sie wissen sollten.

So funktionieren Solarstrom-Anlagen

Photovoltaik ist die Bezeichnung für die Stromerzeugung aus Sonnenenergie. Solarenergie kann für jedes Unternehmen lukrativ werden. Ob kleine Anlage oder großflächiger Aufbau, mit Photovoltaik können Sie einen rentablen Energieertrag erzielen und so Ihre Fixkosten deutlich reduzieren oder gar Gewinn erwirtschaften. So wird durch Ihr eigenes “Kraftwerk” nicht nur die Umwelt geschont, sondern auch Ihr Geldbeutel.

Da einzelne Solarzellen nur eine geringe Leistung (circa 1,5 Watt) abgeben, werden sie zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Dieses ist mit einer Glasscheibe abgedeckt, die Licht durchlässt und gleichzeitig vor Wind und Wetter schützt, und in den meisten Fällen in einen Aluminiumrahmen eingefasst. Eine einzelne Solarzelle ist circa zwölf x zwölf Zentimeter groß. Module gibt es in unterschiedlichen Größen. Sie können je nach Anzahl der Zellen eine Leistung zwischen 50 und 300 Watt haben. Solarmodule gibt es auf Siliziumbasis als polykristalline Module mit einer glitzernden Kristallstruktur und als monokristalline Module mit einer einheitlichen Zelloberfläche. So genannte Dünnschichtmodule dagegen sind nicht aus Zellen aufgebaut, sondern entstehen durch das Aufdampfen von photoaktivem Halbleitermaterial auf eine Trägerschicht (z.B. Glas oder Kupfer).

Funktionsprinzip der Photovoltaik

Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Löcher, die im elektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Übergangs getrennt werden.

Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliziumsolarzelle

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektor, sondern als Stromquelle betrieben.

Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass sie durch zugeführte Energie (elektromagnetische Strahlung) freie Ladungsträger erzeugen (Elektronen und Löcher, siehe Generation). Um aus diesen Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig, um die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken.

Dieses interne elektrische Feld wird durch einen p-n-Übergang erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone (Raumladungszone) wird durch gezielte Dotierung des Materials eingestellt (siehe Halbleitertechnologie). Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Dies hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen (Photoeffekt), so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Strom (Photostrom) kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem Akkumulator zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist werden. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V.

Die Struktur von Solarzellen wird weiterhin so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen und in der aktiven Zone Ladungsträger erzeugen kann. Dazu muss die Deckelektrode transparent sein, die Kontakte zu dieser Schicht müssen möglichst schmal sein, auf der Oberseite wird eine Antireflexionsschicht zur (Verringerung des Reflexionsgrades) aufgetragen. Die Antireflexionsschicht sorgt für die typisch bläuliche bis schwarze Farbe von Solarzellen. Unbeschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-graues Erscheinungsbild.

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufgeraut. Wegen dieses Vorteils wurden ursprünglich Wafer mit Fehlern beim Schleifprozess o. a. als Ausgangsmaterial für Solarzellen verkauft. Schwarzes Silicium hat eine aufgeraute, nadelförmige Oberfläche, die sehr geringe Reflexionen aufweist.

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzellen aus Siliziumnitrid mittels PE-CVD Verfahren hergestellt. Die Schichtdicke beträgt dabei ca. 70 nm (Lambda-Viertel bei einer Brechzahl von 2,0). Des Weiteren kommen noch Antireflexschichten aus Siliziumdioxid und Titandioxid, die beispielsweise per AP-CVD Verfahren aufgebracht werden, zur Anwendung.

Über die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt (Interferenzfarbe). Eine möglichst hohe Gleichmäßigkeit der Beschichtungsstärke ist dabei wichtig, da bereits Schwankungen um einige Nanometer in der Schichtstärke den Reflexionsgrad erhöhen. Blaue Reflexion ergibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht auf den roten Teil des Spektrums – der bevorzugten Absorptionswellenlänge des Siliziums. Prinzipiell sind jedoch auch beispielsweise rote, gelbe oder grüne Solarzellen auf diese Weise für spezielle architektonische Anwendungen herstellbar, sie haben jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad.

Photovoltaik Module Varianten und Unterschiede

Monokristalline PV Module

Monokristalline PV- Module zählen zu den Solarmodulen, die sehr aufwendig hergestellt werden.

Wegen des sehr hohen Siliziumgehalts der Solarzellen, sind diese Module sehr effektiv, was sich auch auf den Wirkungsgrad und somit die höhere Solarernte auswirkt. Aus diesem Grund sind monokristalline Solarmodule auch sehr gut für Dachflächen geeignet, bei denen nur eine geringe Fläche zur Verfügung steht, um eine PV- Anlage zu installieren. Die PV Module haben eine Lebensdauer von etwa dreißig Jahren, von denen die Hersteller etwa zwei Drittel Hersteller-Leistungsgarantie übernehmen. Man erkennt monokristalline PV Module an ihrer meist dunkelblauen bis schwärzlichen Färbung. Zusammenfassend kann angemerkt werden, dass monokristalline PV- Module im Vergleich zu polykristallinen zwar einen höheren Wirkungsgrad haben, daher jedoch meist teurer und auch stärker verbreitet sind.

Polykristalline PV Module

Polykristalline PV Module erkennt man an der meist bläulichen Färbung und der kristallinen Struktur. Der Einsatz von polykristallinen Solarzellen bzw. Solarmodulen zählt bei der PV Modul- Herstellung derzeit weltweit zu den am häufigsten verwendeten PV Modulen. Dass polykristalline PV Module einen geringeren Wirkungsgrad haben als z.B. monokristalline PV Module ist vor allem darauf zurückzuführen, dass diese bei der Herstellung weniger reines bzw. mehr unreines Silizium beinhalten. Die Lebenserwartung polykristalliner PV Module beträgt etwa 30 Jahre. Diese PV Module sind sehr gut für größere Dachflächen geeignet, da im Gegensatz zu den meisten monokristallinen PV Modulen weniger Leistung erzeugt wird.

LGBC – Zellen bzw. Saturnzellen von BP Solar

LGBC – Zellen werden umgangssprachlich auch Saturnzellen genannt. Gefertigt werden LGBC – Zellen von der Firma BP Solar. Saturnzellen zählen zu den monokristallinen Hochleistungszellen. Durch die besondere Struktur der Zellen werden Reflexionsverluste verringert und das Licht, dass von der Seite einfällt, kann somit besser genutzt werden. LGBC – Zellen bzw. Saturnzellen werden in Serie produziert. Die Entwickler sind bestrebt, die Saturnzelle stets weiter zu entwickeln und den Wirkungsgrad zu optimieren. Derzeit liegt der Wirkungsgrad der Solarmodule bestehend aus Saturnzellen bei bis zu 15,5 Prozent.

CIS Solarmodule kurz CIS – Module

CIS – Module haben nach Ansicht vieler Experten enormes Potential. Vor allem die Bestandteile von CIS – Modulen bzw. die Technologie zur Herstellung der Module deuten auf eine revolutionäre Entwicklung hin. CIS steht für Kupfer (Cu), Indium (In) und Selen (SE). Die CIS – Modul Produktion wird in Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen. Neben einigen Solarfabriken, die sich derzeit noch in Planung befinden entstanden in den letzten Jahren einige Fabriken wie z.B. die Würth Solar GmbH und Co. KG, die sich auf CIS – Modul Produktion spezialisiert haben. Unter den Dünnschicht Modulen sind sind CIS – Module, die mit dem derzeit höchsten Wirkungsgrad. Ein eindrucksvolles Beispiel für den Einsatz von CIS- Technologie liefert der CIS Solar Tower, der mit einer Höhe von 122 Metern 180.000 kWh Strom pro Jahr liefert. Hier wurden die Module in der Fasade integriert.

Kristalline Dünnschichtmodule

Kristalline Dünnschichtsolarmodule bestehen aus eine ca. zwei Mikrometer dünnen Schicht Silizium. Dieser Aspekt macht diese Form von Solarmodulen sehr interessant. Die im Solarmodul integrierten Kristallinen-Silizium-Dünnschichtsolarzellen kurz auch KSD- Zellen genannt, sind auf Grund der Eigenschaft, dass erheblich weniger Silizium für die Produktion von Solarmodulen benötigt wird wirtschaftlich sehr interessant. Der Wirkungsgrad von kristallinen Dünnschichtmodulen liegt z.B. bei Modulen der CSG Solar AG (CSG steht für Crystalline Silicon on Glass) bei bis zu 7,6 Prozenz (Stand Februar 2007). Die Photovoltaik – Branche setzt große Hoffnung auf diese Art von Solarmodulen. Dass die Wirkungsgrade dieser Module sich in den nächsten Jahren erhöhen werden ist eigentlich klar, jedoch braucht alles seine Zeit.

Optimale Rahmenbedingungen – Eignung der Fläche

Eine Photovoltaikanlage, die den höchstmöglichen Ertrag erwirtschaften soll, muss nach Süden ausgerichtet sein. Bei anderen Ausrichtungen ist eine Stromerzeugung zwar auch möglich, der Ertrag sinkt aber entschieden und der Zeitpunkt, zu dem die Anlage die Investition erwirtschaftet hat, verzögert sich.

Der Neigungswinkel, in dem die Anlage auf dem Dach angebracht wird, sollte nach Möglichkeit 30 Grad betragen. Schattenflächen oder Elemente, die den Lichteinfall minimieren wie Bäume oder andere Hausdächer, vermindern Ihren Ertrag. Versuchen Sie die Solaranlage daher, möglichst auf einer vollkommenen Freifläche zu montieren und entfernen Sie hartnäckige Verschmutzungen so schnell wie möglich.

Weiterhin ist die Wirtschaftlichkeit von der Region abhängig, in der sich die Anlage befindet. Die Solarstrahlung ist regional unterschiedlich. Genaue Informationen über die Werte dieser Strahlung erhalten Sie beim Deutschen Wetterdienst.

Wichtig für die individuelle Planung – Solaranlagenformen

Man unterscheidet zwischen Anlagen, die einen eigenen Zwischenspeicher für den erzeugten Strom aufweisen, so genannten Inselanlagen, und Anlagen, die den Strom ins Verbundnetz einspeisen, diese werden Netzeinspeiseanlagen genannt.

Bei Inselanlagen werden Akkumulatoren, die so genannten Solarakkus, die als Zwischenspeicher fungieren, mit dem erzeugten Strom aufgeladen. Damit diese Akkus nicht überladen oder zu weit entladen werden, verwendet man einen Laderegler. Dieser Laderegler überwacht die Einspeisung und die Abgabe der Energie. Ein zusätzlicher Wechselrichter wandelt den Strom bei Abnahme des Endverbrauchsgerätes in Wechselstrom um.

Bei Netzeinspeiseanlagen entfallen diese Akkus. Das öffentliche Stromnetz wird als Speicher genutzt. Der Wechselrichter nimmt die erzeugte Energie der Solarmodule auf und gibt sie in das Stromnetz ab. Hier ist ein Stromzähler zwischengeklemmt, der eine genaue Bemessung der Vergütung Ihrer Einspeisung ermöglicht, die Vergütungsrichtlinien sind im EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) verankert. Ihre Endverbrauchsgeräte sind ebenfalls an das öffentliche Stromnetz angeschlossen, und Sie beziehen Ihre Energie wie gewohnt. Sie benötigen bei dieser Variante also keine externen Speicher, um sich mit Energie zu bevorraten. Gerade bei industriellen und sehr großen Anlagen ist dies ein entscheidender Investitionsvorteil.

Leistungsangabe und Lebensdauer

Bei der Leistungsangabe der Solaranlagen wird jeweils die Spitzen- oder auch Nennleistung angegeben. Diese erhält die Einheit Kilowatt Peak (kWp). Letztlich entscheiden aber immer noch die Rahmenbedingungen, wie viel Energie mit dem Solarset gewonnen wird. Im Regelfall erreicht man eine Leistung von ca. 75 Prozent der Spitzenleistung. Mit einer Anlage von einem Kilowatt Peak erwirtschaften Sie folglich in Deutschland über das Jahr gesehen ca. 750 Kilowatt je Stunde.

Die Lebensdauer einer Solaranlage liegt bei ca. 35 Jahren. Wichtig ist für Sie darauf zu achten, dass die Garantie einen größtmöglichen Umfang an Zeit mitbringt. Die Solaranlage sollte zuerst wirtschaftlich werden, bevor der Garantiezeitraum abgelaufen ist. Die Wechselrichter sind meist nach ca. zehn Jahren auszutauschen.

Behörden – Genehmigung

In der Regel muss der Bau einer Solaranlage auf einem Dach nicht genehmigt werden. Bei Freiflächennutzung sieht das Ganze anders aus. Erkundigen Sie sich bitte sicherheitshalber immer beim zuständigen Bauamt. So gehen Sie auf Nummer sicher.

Machen Sie die Größe der geplanten Solaranlage nicht nur von Ihrem eigenen Strombedarf abhängig, sondern eher von der Größe der geeigneten Dachfläche und dem vorhandenen Kapital. So können Sie die Vergütungen nach EEG bei einer höheren Ausbeute nutzen und bauen andererseits nicht an ungeeigneten Stellen Module auf.

Wirtschaftlichkeit

Mit einem eigenen Solarkraftwerk auf dem Dach wird es möglich, den eigenen Strom zu erzeugen und ihn zusätzlich in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Hierzu gibt es spezielle Verträge, die mit den jeweiligen Netzbetreibern geschlossen werden. Wichtig ist es für Sie zu betrachten, welche Leistung die Solaranlage haben soll. Legen Sie besonderen Wert darauf, dass alle Komponenten miteinander harmonisieren und gut aufeinander abgestimmt sind. Veranschlagt werden für die Erzeugung von 1 kW Spitzenleistung ca. 10 Quadratmeter Dachfläche. Wann Ihre Anlage wirtschaftlich wird hängt von verschiedenen Faktoren ab. Hier fließen eventuelle Förderungen des Bundes oder der Länder mit ein, oder aber auch die Rahmenbedingungen wie beispielsweise die Ausrichtung Ihres Daches.

Photovoltaik Steuern – Was das Finanzamt wissen will

Wer den mit einer Photovoltaik-Anlage erzeugten Strom ins öffentliche Netz einspeist und dafür eine Vergütung erhält, gilt im Sinne des Paragrafen 15 des Einkommensteuergesetzes als Gewerbetreibender.

Ein Gewerbe muss jedoch nicht zwingend angemeldet werden: Da die Lieferung des Stroms nur an einen Netzbetreiber erfolgt, liegt eine Beteiligung am allgemeinen wirtschaftlichen Waren- und Dienstleistungsverkehr nach der Gewerbeordnung nicht vor. Eine Gewinnerzielungsabsicht ist jedoch Grundvoraussetzung.

Über die nächsten 20 Jahre muss also ein Überschuss der Einnahmen über die Ausgaben zu erwarten sein. Auf Grund der hohen Einspeisevergütung ist dies bei neuen Solaranlagen im Allgemeinen der Fall. Als Unternehmer besteht grundsätzlich Umsatzsteuerpflicht. Ausnahme: Lag der Bruttoumsatz im Vorjahr unterhalb von 17 500 Euro und wird er im laufenden Jahr nicht mehr als 50 000 Euro betragen, kann sich der Betreiber der Solaranlage als sogenannter Kleinunternehmer von der Umsatzsteuerpflicht befreien lassen. Diese Option sollte jedoch nicht genutzt werden. Mit dem Status des „normalen“ Unternehmers besteht nämlich die Möglichkeit, sich die Umsatzsteuer aus den Anschaffungskosten der Solaranlage vom Finanzamt erstatten zu lassen. Dazu zählen auch Planungsarbeiten im Vorfeld oder eventuell notwendige Verstärkungen von Dachsparren, wenn die Statik den Einbau einer Solaranlage nicht zulässt.

Mit der Umsatzsteuerpflicht kommt dann allerdings auch bei der Stromeinspeisung etwas Arbeit auf den Solarunternehmer zu. Er muss dem Netzbetreiber nämlich 19 Prozent Umsatzsteuer auf die Einspeisevergütung in Rechnung stellen und diese ans Finanzamt abführen. Die staatlich festgeschriebenen Sätze, die der private Stromproduzent bekommt, sind demnach Nettobeträge.

Staatliche Zuschüsse sind keine Einnahmen

Gewinne und Verluste aus dem Solarbetrieb werden anhand einer einfachen Einnahmen-Überschuss-Rechnung ermittelt, wenn der Umsatz im Kalenderjahr nicht höher als 500 000 Euro und der Gewinn nicht höher als 50 000 Euro ausfällt. Betriebseinnahmen (Einspeisevergütung) und -ausgaben (u.a. Wartung, Versicherung, Schuldzinsen, Abschreibung, Miete für Stromzähler) werden saldiert.

Was übrig bleibt, stellt den steuerlichen Gewinn beziehungsweise den Verlust dar. Staatliche Zuschüsse werden nicht als Einnahmen verbucht, sondern müssen von den Anschaffungskosten der Anlage abgezogen werden.

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Abschreibungen

Abschreibungen sind für Anlagen, die nach dem 31.12.2007 ans Netz gingen und gehen, nur noch linear möglich. Über 20 Jahre können jedes Jahr fünf Prozent der Netto-Anschaffungskosten (bei Optierung auf Umsatzsteuerpflicht) steuerlich geltend gemacht werden. Im Anschaffungsjahr oder in einem der folgenden vier Jahre ist zudem eine Sonderabschreibung in Höhe von 20 Prozent des Netto-Kaufpreises möglich. Um diese nutzen zu können, darf der Gewinn aus dem Photovoltaik-Betrieb jedoch nicht mehr als 100.000 Euro betragen. Mit normal dimensionierten Privatanlagen sind solche Summen aber bei Weitem nicht zu erzielen.