Solarzellen: Welche Solarmodule bieten aktuell die beste Technologie und größte Leistung?

Bei Solarzellen schreitet die technische Entwicklung weiter rasant voran. Was gestern noch hochmodern und innovativ war, ist morgen häufig schon veraltet. Der technische Fortschritt macht die Systeme immer beständiger und effizienter, was zu einer steigenden Nachfrage nach PV-Strom führt. Diese dürfte durch das Klimaschutzgesetz und die bis zum Jahr 2045 in Deutschland angestrebte Klimaneutralität zusätzlich beflügelt werden, weshalb auch in den kommenden Jahren mit einem erheblichen Zuwachs der regenerativen Energien zu rechnen ist.

Für die Effizienz der PV-Technologie spielen die verschiedenen Arten von Solarmodulen eine entscheidende Rolle. Hierzulande sind es vor allem vier Modultypen, die den Einsatz in PV-Anlagen dominieren. Wir stellen Ihnen ihre Vor- und Nachteile sowie ihre Perspektiven vor.

Solarmodule: Welche Typen gibt es?

Die PV-Modularten zeichnen sich durch ihre teils erheblichen Unterschiede im technischen Design aus. Das führt dazu, dass sie bei Leistung, Einsatzdauer und Kosten stark voneinander abweichende Resultate liefern. Im Folgenden wollen wir sie etwas genauer betrachten:

• Glas-Glas / Doppelglas Module
• Polykristalline Module
• Monokristalline Module
• Dünnschicht-Module
• CIS/CIGS-Module

Beim Glasmodul mit Bifacial-Cell-Technologie wird das Licht sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Moduls eingefangen. Die Erhöhung des Lichteinsatzes erhöht den Wirkungsgrad des Moduls.

Passend dazu:

• Zweiflächige, bifaciale bzw. bifaziale Solarzellen – Interessante Informationen zu Solarmodulen
• BSC – Bifacial Solar Cells: Geschichte der bifazialen bzw. zweiflächigen Solarzelle
• Solarmodule: Bifazial/Bifacial Module für mehr Effizienz und erhöhte Lichtausbeute – Beratung, Planung & Lösung

Polykristalline PV-Module werden wie auch die artverwandten monokristallinen Module aus Silizium hergestellt. Nachdem dieses geschmolzen wurde, wird es in längliche, viereckige Formen gegossen und langsam abgekühlt. Die dabei entstehenden Kristallstrukturen werden in weiteren Produktionsschritten aufgeteilt und in Scheiben zerlegt, die die polykristallinen Solarzellen bilden. Optisch zeichnen sie sich durch ihre auffallende Blaufärbung aus.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es relativ kostengünstig ist, weshalb polykristalline PV-Module lange Zeit zu den am weitesten verbreiteten Solarzellen gehörten. Die Technik ist schon lange im Betrieb erprobt und deshalb äußerst zuverlässig. Neben der geringen Störanfälligkeit spricht auch eine lange Lebensdauer für dieses System. Allerdings hat der Herstellungsprozess den Nachteil, dass an den Grenzschichten der einzelnen Kristalle Unschärfen entstehen. Das führt dazu, dass der Wirkungsgrad dieser Solarzellen mit 12 bis 16 % nur im mittleren Bereich liegt. Damit steigt der Platzbedarf und sinkt die Effizienz.

Zwei weitere Nachteile, die polykristalline und die monokristallinen Module miteinander gemeinsam haben, sind ihr relativ hohes Gewicht und Leistungseinbußen bei diffusen Lichtverhältnissen sowie hohen Temperaturen.

Auch monokristalline Module bestehen aus Silizium. Im Unterschied zu der polykristallinen Struktur wird das Silizium ein zweites Mal geschmolzen, wodurch säulenförmigen Einkristalle (deshalb „mono“) entstehen. Sie leiden nicht unter den bei den polykristallinen Modulen zu beobachtenden Reibungsverlusten. Das führt bei den dunkelblau bis schwarz schimmernden Solarzellen zu einem höheren Wirkungsgrad von bis zu 20 %.

Neben der ebenfalls niedrigen Störanfälligkeit und der schon seit Jahrzehnten erprobten Umsetzung zeichnen sich monokristalline Module durch den geringeren Flächenbedarf aus. Dafür sind diese Module jedoch vergleichsweise teuer in der Herstellung. Hinzu kommen das relativ hohe Gewicht und ihr reduzierter Wirkungsgrad bei schlechten Lichtverhältnissen und hohen Temperaturen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass beide kristallinen Modulformen eine effektive Leistung bringen. Dafür sind sie relativ schwer, wobei monokristalline Solar-Module bei begrenzten Platzverhältnissen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades die bessere Wahl darstellen. Ihre größere Effizienz hat dafür gesorgt, dass sie sich trotz des höheren Preises gegenüber den polykristallinen Solarzellen vielfach durchgesetzt haben.

Der um bis zu ein Drittel niedrigere Preis (pro kWp) der polykristallinen Module sorgt allerdings dafür, dass sie sich gerade bei größeren PV-Anlagen ohne Platzbeschränkungen weiterhin großer Beliebtheit erfreuen.

Wie der Name vermuten lässt, zeichnen sich Dünnschicht-Module durch ihre sehr geringe Tiefe aus. Klassischerweise werden Dünnschicht-Module mit Halbleitern aus amorphem Silizium hergestellt. Bei diesem System wird ein meist aus Glas bestehendes Trägermaterial mit einer dünnen Schicht bedampft. Diese Konstruktionsweise führt dazu, dass Dünnschicht-Solarzellen etwa 100-mal dünner als die beiden Solar-Module aus Siliziumwafern sind.

Als Wafer werden in der Mikroelektronik, Photovoltaik und Mikrosystemtechnik kreisrunde oder quadratische, etwa ein Millimeter dicke Scheiben bezeichnet. Sie werden aus ein- oder polykristallinen (Halbleiter-)Rohlingen, sogenannten Ingots, hergestellt und dienen in der Regel als Substrat (Grundplatte) für elektronische Bauelemente, unter anderem für integrierte Schaltkreise (IC, „Chip“), mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen. Bei der Fertigung von mikroelektronischen Bauelementen werden in der Regel mehrere Wafer zu einem Los zusammengefasst und direkt hintereinander oder auch parallel bearbeitet.

Dies ist zugleich einer der größten Vorteile der Dünnschicht-Module, denn ihr geringes Gewicht führt dazu, dass sie sich sehr flexibel und vielseitig einsetzen lassen. Deshalb werden diese Module längst nicht nur in großen PV-Anlagen genutzt, sondern auch für die Stromerzeugung in Uhren und anderen kleinen Elektroartikeln verwendet. Hinzu kommt, dass Dünnschicht-Module leicht herzustellen und wegen des geringen Rohstoffbedarfs kostengünstig zu produzieren sind, was ihrer Verbreitung zusätzlichen Auftrieb verlieh. Auch flacht ihre Leistungskurve bei ungünstigen Lichtverhältnissen nicht so stark ab, wie bei den beiden oben genannten kristallinen Modulen.

Die schmalen Module haben jedoch den Nachteil, dass sie über einen sehr viel geringeren Wirkungsgrad als andere Solarzellen verfügen. Dieser liegt bei bis zu 7 %, sodass ihre Nutzung in PV-Anlagen einen erheblichen Flächenbedarf nach sich zieht. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, sind Hersteller mittlerweile auf die Produktion von Dünnschicht-Modulen mit Cadmium-Tellurid (CdTe) übergegangen. Das Konstruktionsprinzip hat den Vorteil eines leicht höheren Wirkungsgrades von bis zu 8 %. Es eignet sich besonders für den Einsatz in Gebieten mit hohem Dunst- und Nebelaufkommen sowie bei diffusem Licht. Dafür müssen Nutzer jedoch höhere Preise und beim Rückbau zusätzliche Kosten für das teurere Recycling des in den Modulen enthaltenen Cadmiums in Kauf nehmen. Trotz der gesteigerten Kosten nimmt der Einsatz dieser effektiveren Modulbauweise mittlerweile zu.

Darüber hinaus forschen viele Unternehmen derzeit an Dünnschicht-Modulen, die unter der Verwendung von Kupfer-Zink-Zinnsulfid und Schwefel (CZTS) hergestellt werden. Dieses halbleitende Material hat gegenüber herkömmlichen Dünnschicht-Solarzellen den Vorteil, dass bei der Konstruktion nicht auf seltene und giftige Elemente zurückgegriffen werden muss. Bis diese Technologie reif für die Massenproduktion ist, dürfte allerdings noch einige Zeit vergehen.

Diese Module sind eine Sonderform der Dünnschicht-Solarzellen und momentan hinter der CdTe-Variante die zweithäufigste Bauform in diesem Bereich. Sie bauen auf den Verbindungen Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) auf und leiten den Strom erheblich besser als die Dünnschicht-Module, die auf Silizium basieren. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 12 und 15 %, was gleichbedeutend mit der höchsten Effizienz bei Dünnschicht-Solarzellen ist. Auch sie erleiden nur wenig Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen und besitzen ebenfalls ein niedriges Gewicht sowie eine geringe Störanfälligkeit.

Diesen Vorteilen gegenüber stehen die teure Herstellung und ein aufwändiges Recycling des in den Modulen enthaltenen Selens. Hinzu kommt, dass es aufgrund der noch relativ jungen Existenz dieser Module keine Langzeiterfahrungen über die Haltbarkeit des Systems gibt. Es ist jedoch vor allem der hohe Preis, der dafür sorgt, dass die Produktion dieser Solarzellen seit Jahren stagniert.

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