Spektrum der Solareinstrahlung

 

Das Spektrum der Solareinstrahlung

 
 

So faszinierend nutzt die Photovoltaik das Spektrum des Lichts

Die Sonne schickt ihre Energie über winzige, nicht sichtbare Lichtteilchen zur Erde. Die Teilchen bewegen sich dabei in unterschiedlich langen Wellen fort – die gesamte Bandbreite dieser Wellenbewegungen bezeichnen Physiker als das Spektrum der Solareinstrahlung.
In der Photovoltaik nutzen Ingenieure einen Teil dieses Spektrums, um mit Hilfe von Solarzellen direkt elektrischen Strom zu gewinnen. In Deutschland können aus der verfügbaren Solareinstrahlung:

  • auf einer PV-Modulfläche von 10 m² so bspw. im Schnitt
  • ca. 1.300 bis 1.800 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden.

Diese Energiemenge entspricht ungefähr dem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch einer Person (~ 1.800 kWh). Die Solarstrahlung zählt damit zu den wichtigsten Quellen Erneuerbare Energien in Deutschland.

Jetzt Ihren Solarertrag berechnen




Die Solareinstrahlung – ihre Energie und ihr Spektrum

Unser Zentralgestirn, die Sonne, ist eine 1,4 Mio. Kilometer große Gaskugel, in der wie in einem brennend heißen Schmelzofen fortwährend Wasserstoffatome (H) zu Helium (He) verschmelzen. Dieser Kernfusion genannte Prozess setzt gigantische Mengen an Energie frei:

  • Auf einer Fläche von 250 mal 250 Metern strahlt die Sonne z.B. dieselbe Energiemenge ab, die wir weltweit im Jahr verbrauchen (in Etwa das 240-fache des deutschen Jahresstromverbrauchs von 600 TWh).
  • Von dieser Energie kommt auf der rund 150 Mio. km entfernten Erde zwar nur ein Bruchteil an – außerhalb der Erdatmosphäre sind es im Schnitt 1.367 Watt/m² (Solarkonstante);
  • diese Energie reicht aber aus, um den Jahresenergiebedarf der Welt mehr als 7.000 Mal zu decken.
Das Sonnenlicht und sein Spektrum als Kurve

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Das Sonnenlicht in seiner spektralen Verteilung – © Mertens 2011

Die riesige Energiemenge transpor­tiert die Sonne in Form winziger, für das menschliche Auge nicht sichtba­rer Teilchen – den Lichtquanten oder Photonen – zur Erde. Je nach ihrer Energie pflanzen sie sich im Raum in verschieden langen Wellenbewe­gungen fort.
Das Spektrum der Solareinstrahlung ergibt sich dabei nach dem Strah­lungsgesetz des deutschen Physi­kers Max Planck aus der Ober­flächentemperatur der Sonne (rund 5.800 Kelvin):
Es reicht von der kurzwelligen, hochenergetischen Rönt­genstrahlung – mit einer Frequenz von weniger als einem Millionstel Millimeter – bis hin zu den sogenannten Radiowellen mit über 10 cm Wellenlänge (siehe Abbildung rechts).
Den Großteil ihrer Energie stellt die Sonne mit rund 47% im Spektrum des sichtbaren Sonnenlichts bereit, bei Wellenlängen zwischen 380 bis 780 Millionstel Millimeter. Das ist auch jener Bereich, der in der Photovoltaik vorrangig genutzt wird.

Das Spektrum der Solareinstrahlung und die Erdatmosphäre

Auf dem Weg durch die Atmosphäre verändert sich das Spektrum des Sonnenlichts. Verantwortlich dafür sind verschiedene optische Phänomene – so werden die Photonen des Sonnenlichts teilweise:

  • direkt zurück in den Weltraum geschickt (reflektiert),
  • an Staub- und Schwebeteilchen (Aerosolen) in der Atmosphäre gestreut
  • oder bspw. von Wasser- oder Kohlendioxid-Molekülen verschluckt (absorbiert).
Grafik: Darstellung der Luftmasse

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Spektrum des Sonnenlichts in der Atmosphäre – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Je länger der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist, desto stärker verändert sich das Spektrum der Solareinstrahlung – und desto geringer wird die Intensität.
Dieses Prinzip können wir auf der eigenen Haut verspüren: Während im Winter bei tiefstehender Sonne die Sonnenstrahlen unsere Haut angenehm erwärmen, strafen sie uns im Sommer gerne mit einem handfesten Sonnenbrand ab.
Der längere Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist überdies auch der Grund, weshalb im Süden Deutschlands, wo die Sonne stets ein wenig höher steht, etwas mehr Sonnenstrom geerntet werden kann als im Norden.

Astrophysiker haben für den Weg, den das Sonnenlicht durch die Atmosphäre der Erde zurücklegt, im Übrigen ein eigenes Maß, die Luftmasse oder Airmass (AM). In der Photovoltaik spielt insbesondere die AM 1,5 eine wichtige Rolle; sie dient weltweit als Referenz zur Klassifizierung von PV-Modulen und weist durch den eineinhalbmal so langen Weg des Lichts im Vergleich zur Solarkonstante eine geringere Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² auf.

So faszinierend nutzt die Photovoltaik das Spektrum des Lichts

Die Sonne schickt ihre Energie über winzige, nicht sichtbare Lichtteilchen zur Erde. Die Teilchen bewegen sich dabei in unterschiedlich langen Wellen fort – die gesamte Bandbreite dieser Wellenbewegungen bezeichnen Physiker als das Spektrum der Solareinstrahlung.
In der Photovoltaik nutzen Ingenieure einen Teil dieses Spektrums, um mit Hilfe von Solarzellen direkt elektrischen Strom zu gewinnen. In Deutschland können aus der verfügbaren Solareinstrahlung:

  • auf einer PV-Modulfläche von 10 m² so bspw. im Schnitt
  • ca. 1.300 bis 1.800 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden.

Diese Energiemenge entspricht ungefähr dem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch einer Person (~ 1.800 kWh). Die Solarstrahlung zählt damit zu den wichtigsten Quellen Erneuerbare Energien in Deutschland.

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Die Solareinstrahlung – ihre Energie und ihr Spektrum

Unser Zentralgestirn, die Sonne, ist eine 1,4 Mio. Kilometer große Gaskugel, in der wie in einem brennend heißen Schmelzofen fortwährend Wasserstoffatome (H) zu Helium (He) verschmelzen. Dieser Kernfusion genannte Prozess setzt gigantische Mengen an Energie frei:

  • Auf einer Fläche von 250 mal 250 Metern strahlt die Sonne z.B. dieselbe Energiemenge ab, die wir weltweit im Jahr verbrauchen (in Etwa das 240-fache des deutschen Jahresstromverbrauchs von 600 TWh).
  • Von dieser Energie kommt auf der rund 150 Mio. km entfernten Erde zwar nur ein Bruchteil an – außerhalb der Erdatmosphäre sind es im Schnitt 1.367 Watt/m² (Solarkonstante);
  • diese Energie reicht aber aus, um den Jahresenergiebedarf der Welt mehr als 7.000 Mal zu decken.
Das Sonnenlicht und sein Spektrum als Kurve

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Das Sonnenlicht in seiner spektralen Verteilung – © Mertens 2011

Die riesige Energiemenge transpor­tiert die Sonne in Form winziger, für das menschliche Auge nicht sichtba­rer Teilchen – den Lichtquanten oder Photonen – zur Erde. Je nach ihrer Energie pflanzen sie sich im Raum in verschieden langen Wellenbewe­gungen fort.
Das Spektrum der Solareinstrahlung ergibt sich dabei nach dem Strah­lungsgesetz des deutschen Physi­kers Max Planck aus der Ober­flächentemperatur der Sonne (rund 5.800 Kelvin):
Es reicht von der kurzwelligen, hochenergetischen Rönt­genstrahlung – mit einer Frequenz von weniger als einem Millionstel Millimeter – bis hin zu den sogenannten Radiowellen mit über 10 cm Wellenlänge (siehe Abbildung rechts).
Den Großteil ihrer Energie stellt die Sonne mit rund 47% im Spektrum des sichtbaren Sonnenlichts bereit, bei Wellenlängen zwischen 380 bis 780 Millionstel Millimeter. Das ist auch jener Bereich, der in der Photovoltaik vorrangig genutzt wird.

Das Spektrum der Solareinstrahlung und die Erdatmosphäre

Auf dem Weg durch die Atmosphäre verändert sich das Spektrum des Sonnenlichts. Verantwortlich dafür sind verschiedene optische Phänomene – so werden die Photonen des Sonnenlichts teilweise:

  • direkt zurück in den Weltraum geschickt (reflektiert),
  • an Staub- und Schwebeteilchen (Aerosolen) in der Atmosphäre gestreut
  • oder bspw. von Wasser- oder Kohlendioxid-Molekülen verschluckt (absorbiert).
Grafik: Darstellung der Luftmasse

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Spektrum des Sonnenlichts in der Atmosphäre – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Je länger der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist, desto stärker verändert sich das Spektrum der Solareinstrahlung – und desto geringer wird die Intensität.
Dieses Prinzip können wir auf der eigenen Haut verspüren: Während im Winter bei tiefstehender Sonne die Sonnenstrahlen unsere Haut angenehm erwärmen, strafen sie uns im Sommer gerne mit einem handfesten Sonnenbrand ab.
Der längere Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist überdies auch der Grund, weshalb im Süden Deutschlands, wo die Sonne stets ein wenig höher steht, etwas mehr Sonnenstrom geerntet werden kann als im Norden.

Astrophysiker haben für den Weg, den das Sonnenlicht durch die Atmosphäre der Erde zurücklegt, im Übrigen ein eigenes Maß, die Luftmasse oder Airmass (AM). In der Photovoltaik spielt insbesondere die AM 1,5 eine wichtige Rolle; sie dient weltweit als Referenz zur Klassifizierung von PV-Modulen und weist durch den eineinhalbmal so langen Weg des Lichts im Vergleich zur Solarkonstante eine geringere Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² auf.

So faszinierend nutzt die Photovoltaik das Spektrum des Lichts

Die Sonne schickt ihre Energie über winzige, nicht sichtbare Lichtteilchen zur Erde. Die Teilchen bewegen sich dabei in unterschiedlich langen Wellen fort – die gesamte Bandbreite dieser Wellenbewegungen bezeichnen Physiker als das Spektrum der Solareinstrahlung.
In der Photovoltaik nutzen Ingenieure einen Teil dieses Spektrums, um mit Hilfe von Solarzellen direkt elektrischen Strom zu gewinnen. In Deutschland können aus der verfügbaren Solareinstrahlung:

  • auf einer PV-Modulfläche von 10 m² so bspw. im Schnitt
  • ca. 1.300 bis 1.800 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden.

Diese Energiemenge entspricht ungefähr dem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch einer Person (~ 1.800 kWh). Die Solarstrahlung zählt damit zu den wichtigsten Quellen Erneuerbare Energien in Deutschland.

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Die Solareinstrahlung – ihre Energie und ihr Spektrum

Unser Zentralgestirn, die Sonne, ist eine 1,4 Mio. Kilometer große Gaskugel, in der wie in einem brennend heißen Schmelzofen fortwährend Wasserstoffatome (H) zu Helium (He) verschmelzen. Dieser Kernfusion genannte Prozess setzt gigantische Mengen an Energie frei:

  • Auf einer Fläche von 250 mal 250 Metern strahlt die Sonne z.B. dieselbe Energiemenge ab, die wir weltweit im Jahr verbrauchen (in Etwa das 240-fache des deutschen Jahresstromverbrauchs von 600 TWh).
  • Von dieser Energie kommt auf der rund 150 Mio. km entfernten Erde zwar nur ein Bruchteil an – außerhalb der Erdatmosphäre sind es im Schnitt 1.367 Watt/m² (Solarkonstante);
  • diese Energie reicht aber aus, um den Jahresenergiebedarf der Welt mehr als 7.000 Mal zu decken.
Das Sonnenlicht und sein Spektrum als Kurve

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Das Sonnenlicht in seiner spektralen Verteilung – © Mertens 2011

Die riesige Energiemenge transpor­tiert die Sonne in Form winziger, für das menschliche Auge nicht sichtba­rer Teilchen – den Lichtquanten oder Photonen – zur Erde. Je nach ihrer Energie pflanzen sie sich im Raum in verschieden langen Wellenbewe­gungen fort.
Das Spektrum der Solareinstrahlung ergibt sich dabei nach dem Strah­lungsgesetz des deutschen Physi­kers Max Planck aus der Ober­flächentemperatur der Sonne (rund 5.800 Kelvin):
Es reicht von der kurzwelligen, hochenergetischen Rönt­genstrahlung – mit einer Frequenz von weniger als einem Millionstel Millimeter – bis hin zu den sogenannten Radiowellen mit über 10 cm Wellenlänge (siehe Abbildung rechts).
Den Großteil ihrer Energie stellt die Sonne mit rund 47% im Spektrum des sichtbaren Sonnenlichts bereit, bei Wellenlängen zwischen 380 bis 780 Millionstel Millimeter. Das ist auch jener Bereich, der in der Photovoltaik vorrangig genutzt wird.

Das Spektrum der Solareinstrahlung und die Erdatmosphäre

Auf dem Weg durch die Atmosphäre verändert sich das Spektrum des Sonnenlichts. Verantwortlich dafür sind verschiedene optische Phänomene – so werden die Photonen des Sonnenlichts teilweise:

  • direkt zurück in den Weltraum geschickt (reflektiert),
  • an Staub- und Schwebeteilchen (Aerosolen) in der Atmosphäre gestreut
  • oder bspw. von Wasser- oder Kohlendioxid-Molekülen verschluckt (absorbiert).
Grafik: Darstellung der Luftmasse

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Spektrum des Sonnenlichts in der Atmosphäre – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Je länger der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist, desto stärker verändert sich das Spektrum der Solareinstrahlung – und desto geringer wird die Intensität.
Dieses Prinzip können wir auf der eigenen Haut verspüren: Während im Winter bei tiefstehender Sonne die Sonnenstrahlen unsere Haut angenehm erwärmen, strafen sie uns im Sommer gerne mit einem handfesten Sonnenbrand ab.
Der längere Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre ist überdies auch der Grund, weshalb im Süden Deutschlands, wo die Sonne stets ein wenig höher steht, etwas mehr Sonnenstrom geerntet werden kann als im Norden.

Astrophysiker haben für den Weg, den das Sonnenlicht durch die Atmosphäre der Erde zurücklegt, im Übrigen ein eigenes Maß, die Luftmasse oder Airmass (AM). In der Photovoltaik spielt insbesondere die AM 1,5 eine wichtige Rolle; sie dient weltweit als Referenz zur Klassifizierung von PV-Modulen und weist durch den eineinhalbmal so langen Weg des Lichts im Vergleich zur Solarkonstante eine geringere Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² auf.

 

Spektrum der Solareinstrahlung und die Solarzelle

Grafik: Spektraler Wirkungsgrad

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Die Thermalisierungs- und Transmissionsverluste verteilen sich auf das ganze Spektrum der Solareinstrahlung – © Lehrbuch-Photovoltaik.de mit eigenen Ergänzungen

In Solarzellen wird die Solarein­strahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Die Inge­nieure stoßen dabei aber auf physikalische bzw. optische Gren­zen, die sich aus der Funktion der Solarzelle ergeben:
Um in der Solarzelle Strom – eine Bewegung geladener Teilchen – erzeugen zu können, müssen eben­diese Teilchen vom Licht im Zellen­material erst geschaffen werden. Die Lichtteilchen benöti­gen dazu eine gewisse Energie; der Fachmann bezeichnet sie als Bandlücke oder Bandabstand.

Nur ein Teil der Lichtquanten aus dem Spektrum der Solareinstrahlung weist allerdings die zur Überwindung der Bandlücke nötige Energie bzw. die richtige Wellenlänge auf – vorrangig sind das die Leichtteilchen im sichtbaren und niedrigen infraroten Spektrum (c-Si-Standardzellen bspw. nutzen ein Wellenlängen zwischen 400 bis 1.150 nm mit der größten Ausbeute zwischen 600-900 nm). Photonen mit einer zu geringen Energie strahlen ungenutzt – d.h. für die Solarstromgewinnung nicht verwertbar – durch die Solarzelle hindurch: Wissenschaftler sprechen von den Durchstrahlungs- bzw. Transmissionsverlusten.
Lichtquanten, die zu viel Energie mitbringen, lösen zwar ein Elektron aus dem Halbleiter-Material der Solarzelle; die überschüssige Energie wird aber in Form von Stößen ans Kristallgitter abgegeben. Da sich die Solarzelle dadurch erhitzt, spricht man hier von den Thermalisierungsverlusten.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Spektrum der Solareinstrahlung und die Solarzelle

Grafik: Spektraler Wirkungsgrad

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Die Thermalisierungs- und Transmissionsverluste verteilen sich auf das ganze Spektrum der Solareinstrahlung – © Lehrbuch-Photovoltaik.de mit eigenen Ergänzungen

In Solarzellen wird die Solarein­strahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Die Inge­nieure stoßen dabei aber auf physikalische bzw. optische Gren­zen, die sich aus der Funktion der Solarzelle ergeben:
Um in der Solarzelle Strom – eine Bewegung geladener Teilchen – erzeugen zu können, müssen eben­diese Teilchen vom Licht im Zellen­material erst geschaffen werden. Die Lichtteilchen benöti­gen dazu eine gewisse Energie; der Fachmann bezeichnet sie als Bandlücke oder Bandabstand.

Nur ein Teil der Lichtquanten aus dem Spektrum der Solareinstrahlung weist allerdings die zur Überwindung der Bandlücke nötige Energie bzw. die richtige Wellenlänge auf – vorrangig sind das die Leichtteilchen im sichtbaren und niedrigen infraroten Spektrum (c-Si-Standardzellen bspw. nutzen ein Wellenlängen zwischen 400 bis 1.150 nm mit der größten Ausbeute zwischen 600-900 nm). Photonen mit einer zu geringen Energie strahlen ungenutzt – d.h. für die Solarstromgewinnung nicht verwertbar – durch die Solarzelle hindurch: Wissenschaftler sprechen von den Durchstrahlungs- bzw. Transmissionsverlusten.
Lichtquanten, die zu viel Energie mitbringen, lösen zwar ein Elektron aus dem Halbleiter-Material der Solarzelle; die überschüssige Energie wird aber in Form von Stößen ans Kristallgitter abgegeben. Da sich die Solarzelle dadurch erhitzt, spricht man hier von den Thermalisierungsverlusten.

Solarzellen im Zusammenspiel

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Spektrum der Solareinstrahlung und die Solarzelle

Grafik: Spektraler Wirkungsgrad

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Die Thermalisierungs- und Transmissionsverluste verteilen sich auf das ganze Spektrum der Solareinstrahlung – © Lehrbuch-Photovoltaik.de mit eigenen Ergänzungen

In Solarzellen wird die Solarein­strahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Die Inge­nieure stoßen dabei aber auf physikalische bzw. optische Gren­zen, die sich aus der Funktion der Solarzelle ergeben:
Um in der Solarzelle Strom – eine Bewegung geladener Teilchen – erzeugen zu können, müssen eben­diese Teilchen vom Licht im Zellen­material erst geschaffen werden. Die Lichtteilchen benöti­gen dazu eine gewisse Energie; der Fachmann bezeichnet sie als Bandlücke oder Bandabstand.

Nur ein Teil der Lichtquanten aus dem Spektrum der Solareinstrahlung weist allerdings die zur Überwindung der Bandlücke nötige Energie bzw. die richtige Wellenlänge auf – vorrangig sind das die Leichtteilchen im sichtbaren und niedrigen infraroten Spektrum (c-Si-Standardzellen bspw. nutzen ein Wellenlängen zwischen 400 bis 1.150 nm mit der größten Ausbeute zwischen 600-900 nm). Photonen mit einer zu geringen Energie strahlen ungenutzt – d.h. für die Solarstromgewinnung nicht verwertbar – durch die Solarzelle hindurch: Wissenschaftler sprechen von den Durchstrahlungs- bzw. Transmissionsverlusten.
Lichtquanten, die zu viel Energie mitbringen, lösen zwar ein Elektron aus dem Halbleiter-Material der Solarzelle; die überschüssige Energie wird aber in Form von Stößen ans Kristallgitter abgegeben. Da sich die Solarzelle dadurch erhitzt, spricht man hier von den Thermalisierungsverlusten.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung