Photovoltaik-Module im Vergleich

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Poly- und monokristalline, Dünnschicht- und CIGS-PV-Module

Die Photovoltaik entwickelt sich stetig weiter. Ständig kommen neue Module auf den Markt, die bessere Leistungen und eine höhere Lebensdauer mitbringen als ihre Vorgängermodelle. Dabei spielt das jeweilige Material eine ebenso große Rolle wie die Herstellungsweise. Für Dachanlagen sind derzeit fünf PV-Modultypen gängig. Unser PV-Modul-Vergleich zeigt, wie sie sich in Material, Fertigung, Wirkungsgrad und Preis unterscheiden. In einer anschließenden Tabelle sind die jeweiligen Vor- und Nachteile gegenübergestellt.

Polykristalline und monokristalline Solarzellen © petair, stock.adobe.com
Polykristalline und monokristalline Solarzellen © petair, stock.adobe.com

Zu allgemeinen Informationen wie Aufbau, Funktionsweise und Wirkungsgrad von Solarmodulen verweisen wir auf unseren Beitrag Photovoltaik Solarmodule.

Für die Montage auf dem Dach werden 5 Modultypen angeboten:

  1. Polykristalline PV-Module
  2. Monokristalline PV-Module
  3. Dünnschicht-PV-Module mit amorphem Silizium
  4. Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid
  5. CIS/CIGS-PV-Module.
Polykristallin und Monokristalline Module: Das Silizium wird anders aufbereitet
Polykristalline und monokristalline Module: Das Silizium wird unterschiedlich aufbereitet

Typ 1 und 2: Kristalline Photovoltaik-Module

Kristalline Solarmodule werden aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Aufgrund unterschiedlicher Verfahren nach der sogenannten Siliziumschmelze bilden sich unterschiedliche Kristallstrukturen:

Polykristalline PV-Module – Vor- und Nachteile

Polykristaline Solarzellen © DianaH, stock.adobe.com
Polykristaline Solarzellen © DianaH, stock.adobe.com

Polykristalline Solarmodule sind einfach und günstig herzustellen. 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 hauchdünne Scheiben, die Wafer, geschnitten. Die ursprüngliche Dicke der Wafer von etwa 0,4 mm konnte mittlerweile auf weniger als 0,2 mm reduziert werden. Damit stieg die Ausbeute pro Kilogramm Silizium auf etwa das Doppelte – ein Grund, warum sich die Preise für Solarmodule deutlich verringert haben.

Nachteil: An den Grenzschichten der einzelnen Kristalle, den sogenannten Korngrenzen, entstehen Verluste. Daher liegt der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen nur bei 12-16 Prozent, also eher in einem mittleren Bereich.

Monokristalline PV-Module – Vor- und Nachteile

Monokristaline Solarzellen © LinieLux, stock.adobe.com
Monokristaline Solarzellen © LinieLux, stock.adobe.com

Monokristallinen PV-Modulen werden mit bis zu 20 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 hohen Wirkungsgrad 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.

Solarzellen auf Hausdach © Dr. N. Lange © fotolia.com
Solarzellen auf Hausdach © Dr. N. Lange © fotolia.com

Eine Sonderform bilden quasi-monokristalline Solarmodule: Hierbei wird polykristallines Silizium 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.

Fazit zu Kristallinen PV-Modulen

Kristalline Solarmodule sind verhältnismäßig schwer, bringen aber auch unter weniger günstigen Strahlungsbedingungen effektive Leistung. 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. Sind dagegen ausreichend Platz auf dem Dach und keine Statikprobleme vorhanden, kann zu den günstigeren polykristallinen PV-Modulen gegriffen werden.

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

Für die Wahl der Solarzellen spielt auch die verfügbare Fläche eine Rolle
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Typ 3, 4 und 5: Dünnschichtmodule

Module mit Dünnschicht-Solarzellen werden montiert © Sallenbuscher, stock.adobe.com
Module mit Dünnschicht-Solarzellen werden montiert © Sallenbuscher, stock.adobe.com

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.

Schematischer Aufbau von Dünnschicht-Modulen
Schematischer Aufbau von Dünnschicht-Modulen
Tipp: Fragen Sie nach, ob die Verschaltung bei der Produktion gleich mit auf des Trägermaterial aufgedampft oder aufgedruckt wurde. Dies erleichtert die Verschaltung zwischen den einzelnen Dünnschicht-Modulen.

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 Module: Sinnvoll bei großer Fläche
Dünnschicht Module: Sinnvoll bei großer Fläche

Die flexiblen 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.

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. Das gilt generell, die verschiedenen Leitermaterialien sorgen allerdings für einige Unterschiede.

Tipp: An Hauswänden können die meist dunkelgrauen Dünnschichtmodule auch eine gestalterische Wirkung erzielen. Kunst am Bau mit Nutzeffekt, sozusagen. Eine Idee, die angenehmen Seiten der eigenen Stromversorgung kennenzulernen.

Dünnschicht-PV-Module mit amorphem Silizium – Vor- und Nachteile

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 2012 rückläufig.

Tipp: Bei der Flächenberechnung hilft eine Faustformel: Für dieselbe Leistung sollten Sie bei Dünnschichtmodulen aus amorphen Solarzellen etwa das Doppelte der Fläche für kristalline Solarzellen rechnen.

Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid – Vor- und Nachteile

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.

Dünnschocht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht
Dünnschocht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid: geeignet auch bei diffusem Licht

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CIGS-PV-Module – Vor- und Nachteile

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.

Bei indirektem Licht wie reflektierendem Schnee zeigen CIIGS-PV-Module Ihre Stärke
Bei indirektem Licht wie reflektierendem Schnee zeigen CIIGS-PV-Module Ihre Stärke

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.

Tipp: Darauf achten, dass die CIGS-Solarzellen kein Cadmium (Cd) enthalten. Da das Materialgemisch toxisch ist, sind cadmiumhaltige Solarzellen am Ende ihrer Lebenszeit aufwendig zu entsorgen. Daneben werden bei Bränden größere Mengen an giftigen Verbindungen freigesetzt. Industrielle CIGS-Solarzellen werden mittlerweile auch ohne eine CdS-Pufferschicht hergestellt und stattdessen mit einem alternativen Frontseitenkontakt versehen.

Fazit zu Dünnschicht-Photovoltaikmodulen

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

Gut zu wissen: Ein Material, das derzeit für die Anwendung in Dünnschicht-Solarzellen erforscht wird, ist CZTS. Diese halbleitende Verbindung von Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel gilt als mögliche Alternative zu herkömmlichen Dünnschicht-Technologien, die auf seltenen oder giftigen Elementen basieren.

Polykristalline, monokristalline und die verschiedenen Dünnschicht-PV-Module im Vergleich

Zelltyp Vorteile Nachteile
Polykristalline Solarmodule
  • preiswerte Fertigung
  • lang erprobte Technik
  • lange Lebensdauer
  • sehr geringe Störanfälligkeit
  • mittlerer Wirkungsgrad (12-16 %)
  • Wirkungsgrad geringer als bei monokristalliner Technologie
  • entsprechend höher der Flächenbedarf (7-10 m²/kW)
  • Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
  • hohes Gewicht pro Quadratmeter
Monokristalline Solarmodule
  • hoher Wirkungsgrad (14-20 %)
  • geringster Flächenbedarf
    (6-9 m²/kW )
  • unterschiedliche Farben möglich
  • lang erprobte Technik
  • sehr geringe Störanfälligkeit
  • teure Fertigung
  • hohes Gewicht pro Quadratmeter
  • Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
Dünnschicht-Module aus amorphem Silizium
  • preiswerte Herstellung
  • geringer Rohstoffbedarf
  • niedriges Gewicht
  • temperaturbeständig
  • gute Ergebnisse bei ungünstigen Gegebenheiten
  • sehr geringer Wirkungsgrad (5-7 %)
  • höchster Flächenbedarf (14-25 m²/kW)
  • hohe Anfangsdegradation
Dünnschicht-Module aus Cadmium-Tellurid
  • preiswerte Herstellung
  • geringer Rohstoffbedarf
  • niedriges Gewicht
  • temperaturbeständig
  • kurze Energierücklaufzeit
  • gute Ergebnisse bei ungünstigen Gegebenheiten
  • geringer Wirkungsgrad (6-8 %)
  • relativ teuer in der Herstellung
  • aufwendiges Recycling wegen Cadmium
CIGS-Solarmodule
  • mittlerer Wirkungsgrad (12-15 %)
  • kaum Einbußen bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
  • niedriges Gewicht
  • geringe Störanfälligkeit
  • Degradation mit kristallinen Modulen vergleichbar
  • teure Fertigung
  • keine Langzeiterfahrung
  • aufwendiges Recycling wegen Selen

Fazit: CIGS-Module vs. andere Dünnschicht-Module vs. kristalline Photovoltaik-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.

Photovoltaik an der Fassade: Ästhetisch und funktional
Photovoltaik an der Fassade: Ästhetisch und funktional

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.

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