Photovoltaik-Module im Vergleich

Dickschichtmodule vs. Dünnschichtmodule – Vor- und Nachteile

Gemeinsam mit der boomenden Solarbranche boomt auch die Entwicklung in der Modultechnik. Immer besser wird die Leistung, immer höher die Lebensdauer, immer größer die Effizienz. Auf der anderen Seite steht natürlich die Bezahlbarkeit der Anlagen, die mit sich wandelnden Materialien und Herstellungsweisen erreicht werden soll. Nicht verändert hat sich in den letzten Jahren die Eingliederung in zwei große Gruppen: Dickschicht- und Dünnschichtmodule. In diesem Beitrag gehen wir näher auf die grundlegenden Unterschiede ein und stellen die jeweiligen Vor- und Nachteile gegenüber.

Für die Montage auf dem Dach werden verschiedene Modultypen angeboten. Man unterscheidet sie je nach Halbleitermaterial der Solarzellen.

Dickschichtmodule im Vergleich

Was sind Dickschichtmodule?

Dickschichtmodule sind kristalline Photovoltaik-Module. Sie werden aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Aufgrund unterschiedlicher Verfahren nach der sogenannten Siliziumschmelze bilden sich unterschiedliche Kristallstrukturen:

Polykristalline PV-Module: die preisgünstigen Pioniere

Wer erstmals ein Haus mit einer Photovoltaikanlage ausstatten möchte, wird sich kaum weiter mit polykristallinen Modulen beschäftigen wollen. Anders kann es denjenigen ergehen, die über eine Modernisierung ihrer PV-Anlage nachdenken. Was hat sich auf dem Markt getan? Und worin unterscheiden sich die heutigen Solarmodule von denen vor 20 Jahren angeschafften? Für diesen Interessentenkreis haben wir auch die „Pioniere“ in unseren Vergleich mit aufgenommen.

Warum polykristalline Module lange Zeit deutlich günstiger waren als monokristalline Module beruht auf ihrer einfachen Herstellung: Dazu wird Silizium geschmolzen, mit Boratomen „dotiert“ und dann in quadratische Blöcke, die Ingots, gegossen. Beim Auskühlen kristallisiert das Halbleitermaterial und bildet eine Vielzahl von Kristallstrukturen, die sich in Form und Größe stark voneinander unterscheiden. Aus den Ingots werden zuerst quadratische Zylinder und aus diesen wiederum dünne Scheiben, die Wafer, geschnitten.

Durch die fortschreitende Entwicklung konnte die Dicke der Wafer immer weiter reduziert werden. Die Preise für die Solarmodule verringerten sich parallel zum Anstieg der Ausbeute pro Kilogramm Silizium.

Nachteil: An den Grenzschichten der einzelnen Kristalle, den sogenannten Korngrenzen, entstehen Verluste. Daher liegt der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen nur bei 16-20 Prozent, also eher in einem mittleren Bereich.

Monokristalline PV-Module: die effizienten Klassiker

Monokristallinen PV-Modulen werden mit bis zu 24 Prozent die bislang höchsten Wirkungsgrade zugeschrieben. Bei der Fertigung wird das Silizium ein zweites Mal geschmolzen und dann mit einem sogenannten Keimkristall unter Drehung Stäbe aus der Schmelze gezogen. Diese säulenförmigen Einkristalle sind ebenfalls die Ingots für das Schneiden der Wafer. Monokristalline Solarzellen sind rund, werden aber zum Verbauen in Quadrate mit abgerundeten Ecken (englisch „square round“) geschnitten. Da es keine unterschiedliche Kristallorientierung gibt, entfallen die Korngrenzen im Wafer und es entstehen weniger Verluste. Dies sorgt für den höheren Wirkungsgrad. Monokristalline Silizium-Solarmodule sind dunkelblau bis schwarz gefärbt und wirken optisch äußerst glatt und eben. Man beziffert ihre Lebensdauer auf gut drei Jahrzehnte.

Nachteil: Dem höheren Wirkungsgrad stehen vergleichsweise höhere Kosten und der höhere Energieverbrauch gegenüber, der bei der aufwendigen Züchtung der Siliziumkristalle anfällt – beides schlägt sich im höheren Fertigungspreis für diesen Modultyp nieder.

Polykristalline und monokristalline Module – Vor- und Nachteile

Monokristalline Module der neuesten Generation

Mit der Ablösung der polykristallinen PV-Module durch ihre monokristallinen Vettern ist die Entwicklung natürlich nicht zum Stillstand gekommen. Hier folgt ein kurzer Überblick über die wichtigsten Neuerungen auf dem Gebiet der Dickschichtmodule.

• n-Typ-Zellen: Herkömmliche monokristalline Module enthalten Siliziumzellen des p-Typs. Immer mehr setzt sich jedoch der negativ geladene n-Typ durch, bei dem die Basisschicht der Zellen mit Phosphor dotiert ist. Noch machen sich die höhere Leistung, Effizienz und Lebensdauer sowie die geringere Degradation und das bessere Schwachlichtverhalten deutlich im Preis bemerkbar. Doch schon bald werden sich die effektiven Newcomer durchsetzen.

• Glas-Glas-Module: Herkömmliche monokristalline Module haben eine Rückseite aus Laminat, das mit einer Folie beschichtet ist. Diese, auch Glas-Folie-Module genannten Modelle sind perfekt für die Installation auf einem Hausdach. Sie verdunkeln jedoch alles, was darunterliegt. Halbtransparente und transparente Glas-in-Glas-Module lassen Licht passieren und sind daher für Terrassendächer und Wintergärten die erste Wahl.

• Bifaziale Module: Die Solarzellen „zweigesichtiger“ Solarmodule sind auch auf der Rückseite photoelektrisch aktiv. Das heißt, sie lassen die Photonen nicht nur von vorne, sondern auch über ihre Rückseite eindringen. Der Wirkungsgrad ist zwar etwas niedriger als an der Vorderseite, kann sich aber durchaus sehen lassen. Angegeben wird der Unterschied durch den Bifazialfaktor, der mit jetzigem Stand bei mindestens 70 Prozent liegt. Der Mehrertrag soll zwischen 5 und 30 Prozent betragen. Dieser Zugewinn setzt allerdings eine freistehende Montage voraus – wie bei Solarzäunen und Schutzwänden. Haupteinsatzgebiet ist derzeit noch die Agri-Photovoltaik.

Fazit zu Dickschicht-Modulen

Kristalline Solarmodule sind verhältnismäßig schwer, bringen aber auch unter weniger günstigen Strahlungsbedingungen effektive Leistung. Die Frage, ob poly- oder monokristalline Module vorzuziehen sind, stellt sich heute jedoch nicht mehr. Die höheren Zellwirkungsgrade sind der Grund, weshalb PV-Module mit monokristallinen Solarzellen Module mit polykristallinen Solarzellen vom Markt verdrängt haben.

Diverse Neuerungen bieten Flexibilität bei der Auswahl. Diese reicht von effizienteren Solarzellen vom Typ „N“ über (semi)transparente Glas-in-Glas-Module bis zu bifazialen Modulen für die freistehende Montage. Der jeweilige Vorteil rechtfertigt den etwas höheren Preis der Newcomer.

Dennoch: Die höheren Zellwirkungsgrade sind der Grund, weshalb die monokristallinen die polykristallinen Solarmodule vom Markt nahezu verdrängt haben.

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Dünnschichtmodule im Vergleich

Was sind Dünnschichtmodule?

Dünnschichtzellen werden ganz anders hergestellt als kristalline Solarzellen. Die Feststellung, dass das Licht bereits direkt unter der Oberfläche einer Solarzelle absorbiert wird, legte bereits früh die Fertigung dünnerer Solarzellen, genannt Dünnschichtzellen, nahe. Dabei wird ein Trägermaterial (meist Glas, seltener Folie) mit einer dünnen Schicht bedampft oder besprüht. Dünnschicht-Solarzellen sind etwa 100-mal dünner als kristalline Solarzellen aus Siliziumwafern.

Als Halbleiter kommen in Betracht:

• amorphes Silizium (a-Si)
• Cadmium-Tellurid (CdTe)
• Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)

und einige andere wie Gallium-Arsenid (GaAs) und Farbstoffe, die für die Serienproduktion aber entweder zu teuer oder zu kurzlebig sind.

Dünnschicht-PV-Module mit amorphem Silizium

Amorph bedeutet gestaltlos, in Bezug auf Silizium also „nicht kristallin“. Amorphes Silizium (a-Si und a-SI:H) bildet im Unterschied zu kristallinem Silizium der poly- und monokristallinen Solarzellen keinerlei Kristallflächen. Daher ist es flexibel formbar und für das Aufdampfen auf Glas oder Folie geeignet. Amorphe Dünnschicht-PV-Module kommen gut mit Verschattungsproblemen oder nicht optimal ausgerichteten Dächern klar. Wegen ihres geringen Wirkungsgrads (5‑7 %) rechnen sich amorphe Solarmodule jedoch erst auf großen Flächen. Verständlich, dass sie daher besonders an Gebäuden in der Landwirtschaft und der Industrie zu sehen sind. Dünnschicht-PV-Module aus amorphem Silizium bilden die günstigste Photovoltaik-Variante. Dennoch sind die Produktionszahlen seit Langem rückläufig.

Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid

Cadmium-Tellurid ist ein hocheffizienter Halbleiter. CdTe-Dünnschichtmodule sind unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen und zeichnen sich durch eine gute Aufnahmefähigkeit bei diffusem Licht aus. Außerdem ist die Energierücklaufzeit von CdTe, also die Zeit, bis die bei der Produktion verbrauchte Energie neu erzeugt wird, mit nur einem Jahr erfreulich kurz. Zum Vergleich: Bei klassischen Silizium-Solarmodulen liegt die Energierücklaufzeit bei etwa vier bis fünf Jahren

CdTe ist das perfekte Halbleitermaterial für PV-Anlagen in Gegenden mit hohem Nebelaufkommen, also zum Beispiel in einem Flusstal oder an einem See. Das Verhältnis von Wirkungsgrad und Herstellungskosten ist besser als bei amorphem Silizium. Der Marktanteil ist entsprechend höher. Tendenz: steigend.

CIGS-PV-Module

Nach Cadmium-Tellurid sind CIS/CIGS-Halbleiter derzeit der am häufigsten eingesetzte Werkstoff für Dünnschichtmodule. Die Buchstaben stehen für Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). CIGS-Solarzellen leiten den Strom besser als Silizium-Dünnschichtsolarzellen und weisen damit auch einen höheren Wirkungsgrad auf. Allerdings ist Indium teuer, was sich negativ auf den Kaufpreis auswirkt. Die Produktion stagniert seit Jahren.

Wie alle Dünnschichtmodule punkten auch CIGS-PV-Module mit besonders gutem Verhalten bei suboptimaler Dachausrichtung und Streulicht. Ihre röhrenförmige Beschaffenheit macht sie zudem weniger anfällig für Schmutz, da dieser von den Röhren abrutscht und zwischen ihnen durchfällt. Kommt zudem eine weiße Reflektor-Folie auf die Dachfläche, sorgt das reflektierende Sonnenlicht für eine noch höhere Leistung. Dieser Effekt schwindet allerdings bei Verschattung und Verschmutzung. Positiv wiederum: CIGS-PV-Module sind im Winter oftmals leistungsfähiger als kristalline PV-Module – wenn eine weiße Schneedecke dem Sonnenlicht zusätzliche Reflektionen ermöglicht.

Fazit zu Dünnschicht-Photovoltaikmodulen

Dünnschichtmodule sind echte Leichtgewichte und damit für ein großflächiges Verbauen bestens geeignet. Zudem liefern sie selbst bei schwachem oder diffusem Lichteinfall und vergleichsweise hohen Temperaturen noch gute und konstante Solarstromerträge. Selbst die gefürchteten Verschattungen wirken sich bei Dünnschichtmodulen weniger kritisch aus. Damit sind Dünnschicht-PV-Module überall dort vorteilhaft, wo keine optimalen Bedingungen herrschen.

Der Herstellungsprozess ist einfach und benötigt wesentlich weniger Material und Energie – was die Dünnschichtmodule in der Anschaffung kostengünstig macht. Dem niedrigen Preis steht allerdings ein geringerer Wirkungsgrad im Vergleich zu den kristallinen Solarmodulen gegenüber.

Dass die Module rahmenlos gefertigt werden, erweist sich sowohl als Vorteil als auch als Nachteil. Zum einen fällt das Gewicht eines Metallrahmens weg, zum anderen aber auch dessen Schutz. Dies hat sowohl eine schwierigere Montage als auch eine größere Bruchgefahr zur Folge.

Vorteile und Nachteile der verschiedenen Dünnschicht-PV-Module

Rechner: Wirkungsgrad verschiedener Typen im Vergleich

Fazit: Dickschicht-Module vs. diverse Dünnschicht-Module

Der Wirkungsgrad der CIGS-PV-Module liegt deutlich über dem anderer Dünnschicht-PV-Module, kommt jedoch noch nicht ganz an den Wirkungsgrad der leistungsfähigeren kristallinen PV-Module heran. Auf der anderen Seite ist – anders als bei kristallinen Modulen – bei Dünnschicht-PV-Modulen mit geringeren Leistungseinbußen bei schwachem Licht und hohen Temperaturen zu rechnen. CIGS-PV-Module spielen ihre Vorteile besonders bei Winterwetter aus. Dafür sind sie allerdings die bislang teuersten PV-Module im Vergleich.

Dünnschicht-Module rechnen sich besonders auf großen Industrie- und Gewerbedächern, auf Ställen, Scheunen und im Freiland, denn dort herrscht kein Platzmangel. Dank Flexibilität und Leichtgewicht lassen sich Dünnschichtmodule auch gut als stromerzeugende Fenster oder Fassaden in die Gebäudehülle einbauen.

Dort, wo viel Leistung auf wenig Fläche gefragt ist, haben es Dünnschicht-PV-Module eher schwer. Deshalb werden in Deutschland vorrangig kristalline Siliziumpaneele verbaut. Diese erzeugen pro Quadratmeter Fläche so viel mehr Strom, dass der Preisnachteil gegenüber Dünnschicht-Modulen mehr als ausgeglichen wird.

Tabelle: Dickschichtmodule vs. Dünnschichtmodule

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