Photovoltaik Solarmodule

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Solarmodule

Photovoltaik Solarmodule
Solarmodule © Michel Angelo , fotolia.com

Die Solarmodule sind die entscheidende Komponente einer Photovoltaikanlage. In ihnen wird je nach Größe eine unterschiedliche Anzahl an Solarzellen zusammengeschaltet. Für eine Photovoltaikanlage werden wiederum mehrere Solarmodule zu sogenannten Strings verschaltet. Mehrere Strings ergeben dann den gesamten Solargenerator.

Funktion einer Solarzelle

Eine Solarzelle ist letztlich eine Halbleiterdiode. Hier wird die Strahlungsenergie in Gleichstrom verwandelt. Physikalisch erklärt werden kann dies durch den sogenannten Photoeffekt. In einer Solarzelle werden unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten zusammengesetzt. An dem Übergang zwischen diesen beiden Schichten (die eine positiv, die andere negativ), dem p-n-Übergang, entsteht ein elektrisches Feld, das die beiden Schichten voneinander trennt und verhindert, dass die Ladungen sich ausgleichen. Gleichzeitig erlaubt die Grenzschicht, dass der Strom nur in eine Richtung fließt, wenn der Stromkreis geschlossen wird.

Photovoltaik Zellen Querschnitt
Solarzellen Querschnitt, Bildquelle: H. Strauß, fotolia

Je nach Halbleitermaterial werden verschiedene Solarzellen unterschieden.

  • Polykristalline Solarzellen
    Polykristalline Solarzellen
    Polykristallin © Erica 39 , fotolia.com

    Das Halbleitermaterial bei polykristallinen Solarzellen ist Silizium. Es wird zur Herstellung der Solarzellen geschmolzen, mit Boratomen „verschmutzt“ (dotiert) und dann in große Blöcke gegossen, wobei verschiedene Gießverfahren angewendet werden. Das Silizium erstarrt dann zu den so genannten Ingots. Diese Ingots werden anschließend in Scheiben gesägt, den so genannten Wafern, und abschließend mit einer Antireflexionsschicht versehen. Dieses Herstellungsverfahren bedingt, dass die Kristalle sich unterschiedlich ausrichten. An den Grenzen der einzelnen Kristalle, den Korngrenzen, entstehen Verluste. Daher ist der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen geringer als der monokristalliner Solarzellen. Die Herstellung ist preiswert.

  • Monokristalline Solarzellen
    Solarzellen Monokristallin
    Monokristallin © Patrik Winbjörk , fotolia.com

    Auch monokristalline Solarzellen werden aus dem Halbleiter Silizium hergestellt. Allerdings sorgt ein anderes Herstellungsverfahren dafür, dass sich die Ingots aus einem so genannten Einkristall bilden. Anschließend werden auch hier die Wafer gesägt. Da es keine unterschiedliche Kristallorientierung gibt, entfallen die Korngrenzen im Wafer und es entstehen weniger Verluste. Damit ist der Wirkungsgrad der monokristallinen Solarzellen höher. Die Fertigung ist vergleichsweise teuer, der Energieaufwand hoch.

  • Dünnschichtzellen
    Dünnschicht Solarzellen
    Dünnschichtzellen © First Solar

    Dünnschichtzellen werden ganz anders hergestellt als mono- oder polykristalline Solarzellen. Hier wird ein Trägermaterial mit dem Halbleiter beschichtet. Dünnschichtzellen kommen daher mit sehr wenig Rohstoff aus und sie lassen sich vergleichsweise einfach herstellen. Die Auswahl an Halbleitermaterial ist groß: Neben Silizium (amorphe Siliziumzellen) kommen auch Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupferindiumselenid (CIS-Zelle) oder auch Farbstoffe (Grätzelzelle oder Farbstoffzelle) infrage. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen ist geringer als der von kristallinen Zellen.

Tipp: Bei der Auswahl der passenden Solarmodule die verschiedenen Vor- und Nachteile gut gegeneinander abwägen. Ist relativ viel Platz vorhanden (Scheunendach), bei ungünstiger Ausrichtung viel diffuser Strahlung bieten sich eher Dünnschichtmodule und bei begrenztem Platz (Einfamilienhaus) wird man auf mono- oder polykristalline Module zurückgreifen.
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Hier noch einmal die Vor- und Nachteile der verschiedenen Solarzellen im Überblick:

Zelltyp Vorteile Nachteile
polykristalline Solarzelle
  • preiswerte Fertigung
  • lang erprobte Technik
  • gegenüber monokristalliner Technologie geringerer Wirkungsgrad
  • entsprechend höherer Flächenbedarf (6-7m2/kWp)
monokristalline Solarzelle
  • hoher Wirkungsgrad
  • geringerer Flächenbedarf
    (5-6 m2/kWp )
  • unterschiedliche Farben möglich
  • lang erprobte Technik
  • teure Fertigung
Dünnschichtzellen
  • preiswerte Herstellung
  • geringer Rohstoffbedarf
  • temperaturbeständig
  • flexibles Trägermaterial
  • geringer Wirkungsgrad
  • Teilweise in schwerer Glas/Glas Sandwichtechnologie
  • hohe Anfangsdegradation

Aufbau eines Solarmoduls

Solarmodul
Solarmodul © clouseu , fotolia.com

In einem Solarmodul werden mehrere Solarzellen verschaltet. Diese Solarzellen werden verkapselt, um sie gegen Witterungseinflüsse zu schützen, gleichzeitig für eine gute Wärmeableitung zu sorgen und die Zellen nach außen zu isolieren. Ein Solarmodul besteht deshalb aus einem Rahmen, der unten abgedeckt wird durch eine Folie und der das Einbettungsmaterial für die Solarzellen enthält, üblicherweise den Kunststoff Ethylenvinylacetat. Abgedeckt werden die Module mit einer Glasschicht. Normalerweise wird ein besonders durchlässiges, eisenarmes Glas genutzt, das gleichzeitig gegen mechanische Belastungen wie etwa Schneelasten schützt.

Der Schichtaufbau eines Dünnschichtmoduls sieht dagegen wie folgt aus: Trägermaterial – Laminierfolie – Abdeckung (zum Beispiel Glas). Wird das Halbleitermaterial bei der Dünnschichtzelle dagegen gleich auf das Glas aufgedampft, dann folgt auf die Glasabdeckung das Laminat und schließlich eine Rückenabdeckung, die meist auch aus Glas besteht.

Tipp: Vergleich von Solarmodulen
Soll bei der Auswahl vor allem die Leistung der Solarmodule verglichen werden, dann muss darauf geachtet werden, dass die Leistung sich auf eine bestimmte Fläche bezieht. Die Nennleistung muss also bei gleicher Abmessung höher sein, damit die gesamte Photovoltaikanlage leistungsfähiger ist.
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