Das Kernstück einer Fotovoltaikanlage sind die Solarzellen (1), die sowohl direktes als auch diffuses Sonnenlicht aufgrund des Fotoeffektes in Strom umwandeln. Mit Hilfe verschiedener elektrischer Schaltungen (2) wird die Anlage geregelt. Der Gleichstrom wird mit Hilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom überführt (4) und kann in Netz eingespeist werden. Ein Zähler (5) ermittelt die produzierte Strommenge.
Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrotechnik - zusammen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.
Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie (1,5 · 1018 kWh/Jahr) ist 15.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 2006, 1,0 · 1014 kWh/Jahr) der Menschheit. Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann photovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.
Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkuhren.
Das Kernstück einer fotovoltaischen Anlage ist die Solarzelle, die Sonnenlicht in Strom umwandelt aufgrund des photovoltaischen Effektes. Solarzellen sind Halbleiter, die zumeist auf Siliziumbasis hergestellt werden und unterschiedlich leitende Schichten enthalten. Die Photonen des Lichts erzeugen in der Solarzelle eine Ladungstrennung zwischen den Schichten aufgrund unterschiedliche Dotierungen (p- oder n-Dotierung mit Fremdelementen. Mit Hilfe einer angelegten Spannung werden die Ladungen getrennt. Der so gewonnene Strom kann entweder als Gleichstrom z.B. für die Aufladung von Batterien oder - unter Zuhilfenahme eines Wechselrichters - in Wechselstrom überführt und in das Stromnetz gespeist werden.
Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1.000 MW installierter elektrischer Leistung von Photovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.
Das erreichbare Potenzial ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes, um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Photovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung bisher bebauter Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Die Photovoltaik kann daher langfristig auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern.
Die Zahl von 2 Prozent ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².
Allerdings ist ein solcher Ausbau zu den gegenwärtigen Produktionskosten von Solarstrom utopisch. Während Strom aus konventionellen Energiequellen im Jahresmittel ca. 6 Cent pro Kilowattstunde kostet, wird Solarstrom gemäß dem von der damaligen rot-grünen Regierung erlassenen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)mit - je nach Art und Größe der Anlage 38 bis 51 Cent pro Kilowattstunde (2007) vergütet. Somit würden die Kosten der Stromerzeugung rapide steigen, wenn zu den gegenwärtigen Einspeisetarifen nennenswerte Mengen Solarstrom erzeugt würden.
Im Jahr 2005 wurden gemäß einer Erhebung der Fachzeitschrift Photon 0,26 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, allerdings bei starkem Wachstum. Für das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45 bis 1,0 Prozent aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Im Jahre 2020 werden gemäß einer Studie des Bundesumweltministeriums 1,5 Prozent des deutschen Stromverbrauchs aus Photovoltaikanlagen gewonnen werden.
Auch bei theoretisch hohen Potenzialen spielt Solarstrom aktuell und in den nächsten Jahren für die deutsche Stromerzeugung nur eine sehr kleine Rolle. Allerdings ist durch das zum Wind oftmals gegenläufige Angebotsverhalten der Sonnenenergie der Stromanteil aus Photovoltaik für einen funktionierenden regenerativen Energiemix sinnvoll. Denn wenn im Sommer Windflaute ist, scheint oftmals stark die Sonne.
Bei den obigen Angaben zum Flächenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der Energie noch nicht berücksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 Prozent der Energie sofort verbraucht und 75 Prozent gespeichert werden, würde dies bei Umwandlungsverlusten von 50 Prozent den Flächenbedarf für Photovoltaik ungefähr verdoppeln und zusätzliche Investitionen erfordern. Bei einem Anteil von 25 Prozent am Gesamtstrombedarf ist eine Speicherung nicht notwendig. Darüber hinaus könnte überschüssiger Strom unter Inkaufnahme weiterer Effizienzverluste in Form von Wasserstoff gespeichert und für Automobile genutzt werden. Diese Überlegungen könnten langfristig dazu führen, dass Solarstrom immer mehr Bedeutung gewinnt. Für die nächsten Jahre dürften sie noch keine wesentliche Rolle spielen.
