Photovoltaik-Module im Vergleich

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PV-Module im Vergleich: mono- und polykristalline, Dünnschicht- und CIGS-PV-Module

Als Herz einer Photovoltaik-Anlage wandeln die Solarmodule, kurz: Module genannt, das Licht der Sonne in Strom um. Das Material, aus dem die Module gemacht sind, nimmt großen Einfluss auf ihre Leistung. Ebenso die Herstellungsweise. Unser PV-Modul-Vergleich zeigt, wie sich die vier gängigen Photovoltaik-Module in Material, Fertigung, Leistung und Preis unterscheiden.

Solarmodule © scanrail, fotolia.com
Photovoltaik-Module im Vergleich © scanrail, fotolia.com

Was ist ein Solarmodul?

Die kleinste Einheit einer Photovoltaik-Anlage, die die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie (Elektrizität, elektrischen Strom) umwandelt, ist die Solarzelle.

Aufbau einer Solarzelle © BRN-Pixel © fotolia.com
Die Grafik zeigt den schematischen Aufbau einer Solarzelle, die Sonnenlicht in Strom umwandelt © BRN-Pixel © fotolia.com

Praktisch kommen einzelne Solarzellen eher selten zum Einsatz, meist verbindet man sie zu Gruppen: sogenannten Solarmodulen oder Solarpanels. Von denen wiederum bildet eine größere Anzahl das Herz der Photovoltaik-Anlage. Das Modul ist demnach eine Art Gehäuse, also sowohl eine mechanische Befestigungsmöglichkeit als auch ein Schutzsystem für die Solarzellen. So ein Modul besteht beispielsweise aus einem Profil aus dem Leichtmetall Aluminium, das sich mit passendem Material auf dem Dach befestigen lässt, und einer lichtdurchlässigen Glasscheibe als Abdeckung. Neben den Solarzellen beherbergt das Solarmodul auch elektrische Anschlüsse.

Die Solarzellen im Solarmodul sind elektrisch miteinander verbunden. Diese Verbindung wird auch Verschaltung genannt. Es gibt zum Verschalten der Solarzellen mehrere Methoden:

  • Gängig ist die sogenannte Reihenschaltung (auch Serienschaltung genannt): Hierzu schaltet man die einzelnen Solarzellen in Reihe, so dass der erzeugte elektrische Strom nacheinander durch alle Solarzellen fließt, wobei sich deren Einzelspannung zu einer höheren Spannung summiert. Ein Beispiel: 72 Solarzellen mit einer Einzelspannung von einem halben Volt kommen so auf eine Ausgangsspannung von 36 Volt. Die Reihenschaltung ist insbesondere für kleinere PV-Anlagen vorteilhaft.
  • Gruppen von Solarzellen, die in Serienschaltung mit einander verbunden sind, können parallel (Parallelschaltung) geschaltet werden, so dass die Stromstärke in Summe steigt, was bei teilweise verschatteten Modulen für einen höheren durchschnittlichen Ertrag sorgt.

Auch für die Verschaltung der Solarmodule haben sich die Methoden Reihenschaltung und Parallelschaltung bewährt, häufig kombiniert man sogar beide Methoden, indem mehrere Module in Serie zu einem sogenannten String und mehrere solcher Strings parallel verschaltet werden.

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4 gängige Solarmodul-Typen im Vergleich

Die Photovoltaik hat sich in den vergangenen zweieinhalb Jahrzehnten zu einer Massentechnologie gemausert, die sich stetig fortentwickelt. Ständig kommen neue PV-Module auf den Markt, die bessere Leistungen und eine höhere Lebensdauer mitbringen als ihre Vorgängermodelle. Die Leistung der PV-Module wird als ihr elektrischer Wirkungsgrad beziffert, wobei gilt:

Der elektrische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von erzeugter beziehungsweise abgegebener elektrischer Leistung und einfallender Lichtleistung.

Wissen sollten Sie, dass der Wirkungsgrad der zum Einsatz kommenden Solarzellen etwas höher ist als der des PV-Moduls. Der Grund für den Leistungsunterschied ist der: Selbst eine hochentspiegelte, lichtdurchlässige Abdeckung reflektiert das auftreffende Sonnenlicht zum Teil, so dass es nicht im vollen Umfang zu den Solarzellen hindurchdringt.

4 Modultypen für PV-Dachanlagen

Der Wirkungsgrad der PV-Module wird maßgeblich davon bestimmt, aus welchem Rohstoff sie beschaffen sind und wie sie gefertigt wurden. Folgende vier PV-Modultypen für Dachanlagen sind derzeit gängig:

  1. monokristalline PV-Module
  2. polykristalline PV-Module
  3. Dünnschicht-PV-Module (auch einfach nur Dünnschichtmodule genannt)
  4. CIGS-PV-Module (auch einfach nur CIGS-Module genannt)

1. Monokristalline PV-Module – Eigenschaften, Vor- und Nachteile

Monokristallinen PV-Modulen werden mit bis zu zwanzig Prozent die bislang höchsten Wirkungsgrade zugeschrieben. Sie werden in aufwendigen Verfahren aus dem Halbleitermaterial Silizium gefertigt, indem einkristalline Stäbe aus geschmolzenem Silizium (sogenannte Siliziumschmelze) gezogen werden. Die Stäbe (Einkristalle) werden zu Scheibchen zersägt, so dass so genannte Wafer entstehen. Eine häufige Form für monokristalline Solarzellen ist ein Quadrat mit abgerundeten Ecken (auf Englisch: „square round“). Monokristalline Silizium-Solarmodule sind dunkelblau bis schwarz gefärbt und wirken optisch äußerst glatt und eben. Man beziffert ihre Lebensdauer auf gut drei Jahrzehnte. Ein PV-Modul aus monokristallinen Solarzellen bringt je nach Format acht bis sechszehn Kilogramm auf die Waage. Damit hat es erheblich mehr Gewicht, als beispielsweise ein Dünnschicht-PV-Modul (siehe unten). Dem hohen Wirkungsgrad der monokristallinen Module stehen vergleichsweise hohe Kosten und der hohe Energieverbrauch gegenüber, der bei der aufwendigen Züchtung der Siliziumkristalle anfällt – beides schlägt sich im hohen Preis für diesen Modultyp nieder.

2. Polykristalline PV-Module – Eigenschaften, Vor- und Nachteile

Polykristalline Solarmodule sind einfacher und günstiger als monokristalline herzustellen. Dazu wird die Siliziumschmelze in Blöcke gegossen, die dann zu Wafern gesägt werden. Beim Abkühlen bilden sich zahlreiche kleine Siliziumkristalle verschiedener Größen. Der Siliziumanteil der polykristallinen PV-Module ist deshalb insgesamt geringer, so dass ihr Wirkungsgrad mit Werten zwischen zwölf und sechszehn Prozent kleiner ausfällt als der von monokristallinen Modulen. Auch Verunreinigungen sowie Energieverluste, die an den Grenzschichten der einzelnen kleinen Kristalle oft auftreten, mindern den Wirkungsgrad der polykristallinen PV-Module.

Sonderform polykristalliner PV-Module

Sogenannte quasi-monokristalline Solarmodule verwenden ebenfalls polykristallines Silizium. Das wird jedoch mit einem speziellen Verfahren so ausgerichtet, dass die Kristallgitter sämtlicher Siliziumkristalle die gleiche Orientierung besitzen. Auf diese Weise haben quasi-monokristalline PV-Module einerseits fast dieselben Eigenschaften wie monokristalline, können andererseits jedoch günstiger produziert werden.

Zwischenfazit: mono- vs. polykristalline PV-Module

Gibt es Probleme mit dem Platz auf dem Solardach oder gar mit dessen Statik, sind monokristalline PV-Module wegen des höheren Wirkungsgrades die bessere Wahl – gleichwohl sie teurer sind. Haben Sie dagegen ausreichend Platz auf dem Dach und keine Statikprobleme, können Sie zu den günstigeren polykristallinen PV-Modulen greifen.

HINWEIS: Kristalline PV-Module in der Praxis
Kristalline Solarzellen sind weit verbreitet, denn sie punkten mit hohen und weiter steigenden Wirkungsgraden und fallenden Kosten. Und sie bringen auch unter weniger günstigen Strahlungsbedingungen effektive Leistung. Stefan Glunz, Leiter der Abteilung Entwicklung und Charakterisierung von Siliziumsolarzellen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg schreibt kristallinen Siliziumzellen weiterhin eine dominierende Rolle zu.
Solarzellen auf Hausdach © Dr. N. Lange © fotolia.com
PV-Module mit Solarzellen auf einem Hausdach © Dr. N. Lange © fotolia.com

3. Dünnschicht-PV-Module – Eigenschaften, Vor- und Nachteile

Dünnschicht-PV-Module werden auch amorphe (flexible) Module genannt. Zu ihrer Herstellung wird ein Trägermaterial mit einer dünnen Schicht (Dünnschicht) aus amorphem oder kristallinem Silicium bedampft beziehungsweise besprüht (alternativ Leitermaterialien: Cadmium-Tellurid/CdTe, Gallium-Arsenid/GaAs, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid/CIGS oder Farbstoffe wie bei Grätzelzellen oder Farbstoffzellen). Weil dabei sehr viel weniger Silizium zum Einsatz kommt, als bei den mono- und polykristallinen PV-Modulen ist die Fertigung der Dünnschichtmodule besonders preisgünstig möglich – was sich auch im Verkaufspreis niederschlägt. Das ist auch ein Grund dafür, dass der Marktanteil der Dünnschicht-PV-Module stetig wächst. Aber: Der Wirkungsgrad der Dünnschicht-PV-Module bewegt sich mit sechs bis zehn Prozent auch deutlich unter dem von mono- oder polykristallinen PV-Modulen. Dafür sind flexible Dünnschichtmodule echte Leichtgewichte. Zudem liefern sie selbst bei schwachem oder diffusem Lichteinfall und vergleichsweise hohen Temperaturen noch gute und konstante Solarstromerträge. Verschattungen wirken sich bei Dünnschichtmodulen weniger kritisch aus.

Zwischenfazit: Dünnschicht-PV-Module vs. kristalline PV-Module

Dank ihrer geringeren Anfälligkeit bei sich verändernden Licht- und Temperaturverhältnissen, ihres geringen Gewichts und ihrer leichteren und günstigeren Fertigung sind Dünnschicht-PV-Module überall dort vorteilhaft im Einsatz, wo keine optimalen Bedingungen herrschen. Sie können demnach auch auf Dachflächen installiert werden, die nicht direkt gen Süden zeigen, oder auf flachen Solardächern. Dünnschicht-PV-Module eignen sich daher auch zum Einsatz in sehr großen Anlagen mit sehr vielen Modulen.

HINWEIS: Dünnschicht-PV-Module in der Praxis
Dort, wo viel Leistung auf wenig Fläche gefragt ist, haben es Dünnschicht-PV-Module schwerer als kristalline. Deshalb werden in Deutschland eher kristalline Siliziumpaneele verbaut, denn die erzeugen pro Quadratmeter Fläche so viel mehr Strom, dass der Preisnachteil gegenüber Dünnschicht-Modulen mehr als ausgeglichen wird. Dünnschicht-Module rechnen sich dafür eher auf großen Industrie- und Gewerbedächern oder im Freiland, denn dort herrscht kein Platzmangel. Dank Flexibilität und Leichtgewicht lassen sich Dünnschichtmodule auch eher als stromerzeugende Fenster oder Fassaden in die Gebäudehülle einbauen.

4. CIGS-PV-Module – Eigenschaften, Vor- und Nachteile

Vom US-amerikanischen Hersteller Solyndra kamen seit 2009 dünnschichtige PV-Module im Hochpreissegment: sogenannte röhrenförmige Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-PV-Module, kurz: CIGS-PV-Module. Die Solarzellen hatten röhrenförmige Absorber aus gewickelten CIGS-Folien in Glasröhren, die optisch Solarthermie-Kollektoren ähneln und direkte wie indirekte Sonnenstrahlung von allen Seiten einfangen konnten.

Kam zudem eine weiße Reflektor-Folie auf die Dachfläche, reflektierte auch diese noch Sonnenlicht, so dass die Leistung des CIGS-PV-Moduls steigt. Diese Reflektor-Folie wurde von den PV-Modulen allerdings teils verschattet. Zudem konnte sie unter dem Einfluss von Wind und Wetter verschmutzen, was den Mehrertrag der Folie minderte. Aber: Praktische Tests zeigten, dass CIGS-PV-Module von Solyndra im Winter oftmals leistungsfähiger waren als kristalline PV-Module. Der Grund: Der weiße Schnee diente den PV-Modulen als extra Reflektionsfläche für das Sonnenlicht.

Wegen ihres vergleichsweise geringen Gewichts eignen sich CIGS-Module auch für statisch nicht so belastbare Dächer wie Flachdächer. Die röhrenförmige Beschaffenheit der CIGS-PV-Module macht diese zudem weniger anfällig für Schmutz, da dieser von den Röhren abrutscht und zwischen ihnen durchfällt. Solyndra-CIGS-PV-Module kamen auf Wirkungsgrade von bis zu 15 Prozent.

Wichtig zu Wissen: Solyndra meldete im September 2011 Konkurs an. Mehr dazu steht hier (auf Deutsch) und hier (nur auf Englisch).

Fazit: CIGS-PV-Module vs. Dünnschicht-PV-Module vs. kristalline PV-Module

Der Wirkungsgrad der CIGS-PV-Module liegt deutlich über dem von Dünnschicht-PV-Modulen, kommt jedoch noch nicht ganz an den Wirkungsgrad der leistungsfähigeren kristallinen PV-Module heran. Dafür müssen Sie – anders als bei kristallinen Modulen – bei CIGS- und Dünnschicht-PV-Modulen nur mit geringeren Leistungseinbußen bei schwachem Licht und hohen Temperaturen rechnen. Die CIGS-PV-Module spielen ihre Vorteile besonders bei Winterwetter aus. Dafür sind sie allerdings die bislang teuersten PV-Module im Vergleich, was die folgende Tabelle gut veranschaulicht:

Monokristalline, polykristalline, Dünnschicht- und CIGS-PV-Module im Vergleich

Zelltyp Vorteile Nachteile
polykristalline Solarmodule
  • preiswerte Fertigung
  • lang erprobte Technik
  • lange Lebensdauer
  • sehr geringe Störanfälligkeit
  • gegenüber monokristalliner Technologie geringerer Wirkungsgrad (12 – 16 %)
  • entsprechend höherer Flächenbedarf (6-7m2/kWp)
  • Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
  • höheres Gewicht pro Quadratmeter
monokristalline Solarmodule
  • hoher Wirkungsgrad (14 – 20 %)
  • geringerer Flächenbedarf
    (5-6 m2/kWp )
  • unterschiedliche Farben möglich
  • lang erprobte Technik
  • sehr geringe Störanfälligkeit
  • teure Fertigung
  • höheres Gewicht pro Quadratmeter
  • Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
Dünnschicht-Module
  • preiswerte Herstellung
  • geringer Rohstoffbedarf
  • temperaturbeständig
  • flexibles Trägermaterial
  • geringer Wirkungsgrad (6 – 10 %)
  • teilweise in schwerer Glas/Glas Sandwichtechnologie
  • hohe Anfangsdegradation
CIGS-Solarmodule
  • mittlerer Wirkungsgrad (12 – 15 %)
  • kaum Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
  • niedriges Gewicht
  • geringe Störanfälligkeit
  • teure Fertigung
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