Photovoltaik Solarmodule

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Was sind Solarmodule und wie funktionieren sie?

Solarmodule © Michel Angelo, stock.adobe.com
Solarmodule © Michel Angelo, stock.adobe.com

Solarmodule sind die entscheidende Komponente einer Photovoltaikanlage. Ohne sie könnte das Licht der Sonne nicht in Strom umgewandelt werden. Kommt die Anschaffung einer PV-Anlage in Betracht, kann es nicht schaden, einige Kenntnisse über deren Funktion zu haben. In diesem Beitrag zeigen wir die Grundlagen zur Technik eines Photovoltaikmoduls auf. Die Unterschiede in Material, Fertigung, Leistung und Preis können im Beitrag Photovoltaik-Module im Vergleich nachgelesen werden.

Was ist ein Solarmodul?

Eine Photovoltaik-Anlage wandelt die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie bzw. Elektrizität um. Ihre kleinste Einheit ist die Solarzelle, die den elektrischen Strom folgendermaßen erzeugt:

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In einer Solarzelle werden unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten zusammengesetzt: die eine positiv, die andere negativ. Am Übergang zwischen diesen beiden Schichten, dem „p-n-Übergang“, entsteht ein elektrisches Feld, das die beiden Schichten voneinander trennt und verhindert, dass die Ladungen sich ausgleichen. Trifft Licht auf die Solarzelle, werden die Elektronen beweglich und in die Grenzschicht, das sogenannte Leitungsband, gehoben. Dort harren sie aus, bis der Stromkreis durch den Anschluss eines Verbrauchers (z.B. eine Leuchte) geschlossen wird und sie als Strom zu fließen beginnen.

Anschaulich erklärt wird diese Photovoltaischer Effekt genannte Funktion in einem Video der HTW Berlin:

Einzelne Solarzellen kommen in der Praxis allerdings fast nie zum Einsatz. Meistens werden sie zu Gruppen verbunden, den Solarmodulen oder Solarpanels. Das Herz der PV-Anlage besteht aus einer mehr oder weniger großen Anzahl dieser Solarmodule.

Jedes Modul bildet ein Gehäuse, um die empfindlichen Solarzellen zu schützen und auf einem Dach oder einer Aufständerung befestigen zu können. Von unten nach oben finden sich folgende Schichten:

  • witterungsfeste Kunststoffverbundfolie
  • Kunststoff- oder Gießharzschicht
  • Solarzellen
  • lichtdurchlässige Kunststoff- oder Gießharzschicht
  • lichtdurchlässige, gehärtete Glasscheibe
Schematischer Aufbau eines Solarmoduls
Schematischer Aufbau eines Solarmoduls

Diese Schichten werden von einem Profil aus dem Leichtmetall Aluminium zusammengehalten. Das Gehäuse beherbergt zudem die elektrischen Anschlüsse.

Wie funktioniert ein Solarmodul?

Die Solarzellen im Solarmodul sind elektrisch miteinander verbunden bzw., so der Fachterminus, verschaltet. Die Verschaltung von Solarzellen kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen:

Die Verschaltung von Solarzellen
Die Verschaltung von Solarzellen
  • Die Reihenschaltung oder Serienschaltung ist die gängigste Methode. Hierzu schaltet man die einzelnen Solarzellen in Reihe, sodass der erzeugte elektrische Strom nacheinander durch alle Solarzellen fließt. Dabei summiert sich deren Einzelspannung zu einer höheren Spannung. Ein Beispiel: 72 Solarzellen mit einer Einzelspannung von 0,5 Volt kommen so auf eine Ausgangsspannung von 36 Volt. Die Reihenschaltung ist insbesondere für kleinere PV-Anlagen vorteilhaft. Nachteil: Die Solarzellen beeinflussen sich gegenseitig. Kommt es zur Verschattung, fällt die Leistung aller verbundenen Zellen ab.
  • Bei der Parallelschaltung sind die in Serienschaltung miteinander verbundenen Solarzellen parallel verschaltet. Einerseits summiert sich damit ebenfalls die Spannung, andererseits arbeiten alle Zellen unbeeinflusst. Bei Verschattung wird der Leistungsabfall durch die volle Leistung der anderen Solarzellen ausgeglichen. Der durchschnittliche Ertrag ist höher. Nachteil: Der höhere Aufwand bei der Installation zieht höhere Kosten nach sich.
Photovoltaikanlage: Aufbau und Komponenten
Photovoltaikanlage: Aufbau und Komponenten

Egal ob Reihen- oder Parallelschaltung: Im Solarmodul werden Plus- und Minuspol der Solarzellen miteinander verbunden und es entstehen Reihen oder Stränge, besser bekannt als Strings. Das Gleiche gilt für die Hintereinanderschaltung mehrerer Solarmodule. Für deren Verschaltung kombiniert man häufig beide Methoden, indem mehrere Module in Reihe zu einem String und mehrere solcher Strings parallel verschaltet werden. Die gesamte Photovoltaikanlage trägt auch die Bezeichnung Solargenerator.

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Leistung und Wirkungsgrad

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.

Doch was genau ist unter der Leistung eines Photovoltaikmoduls zu verstehen? Sie wird allgemein beziffert als elektrischer Wirkungsgrad, also als Verhältnis von erzeugter beziehungsweise abgegebener elektrischer Leistung und einfallender Lichtleistung. Oder anders: Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von erzeugtem Strom und Sonnenstrahlung.

Wirkungsgrad von Solarmodulen
Wirkungsgrad von Solarmodulen
Hinweis: Der Wirkungsgrad eines PV-Moduls ist etwas niedriger als der von Solarzellen. Der Grund für den Leistungsunterschied: Selbst eine hochentspiegelte, lichtdurchlässige Abdeckung reflektiert das auftreffende Sonnenlicht zum Teil, sodass es nicht im vollen Umfang zu den Solarzellen hindurchdringt.

Die 5 gängigen Solarmodul-Typen

Folgende fünf PV-Modultypen sind derzeit für Dachanlagen  gängig:

  • Monokristalline PV-Module
  • Polykristalline PV-Module
  • Dünnschicht-PV-Module mit amorphem Silizium (a-Si)
  • Dünnschicht-PV-Module mit Cadmium-Tellurid (CdTe)
  • CIGS-PV-Module

Sie zeichnen sich u.a. durch unterschiedliche Wirkungsgrade aus. Pauschal kann gesagt werden:

Photovoltaik Module: Polykristallin oder monokristallin
Photovoltaik Module: Polykristallin oder monokristallin

Monokristalline PV-Module haben einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Module. Der Wirkungsgrad der CIGS-Module liegt deutlich über dem von Dünnschichtmodulen mit a-Si oder CdTe, kommt jedoch noch nicht ganz an den Wirkungsgrad der leistungsfähigeren kristallinen PV-Module heran. Dafür büßen Dünnschichtmodule bei schwachem Licht und hohen Temperaturen weniger ihrer Leistung ein als die kristallinen PV-Module. Außerdem sind sie flexibel statt starr und damit deutlich leichter zu verbauen.

Unser Beitrag Photovoltaik-Module im Vergleich geht genauestens auf die unterschiedlichen Eigenschaften sowie die Vor- und Nachteile aller 5 gängigen Solarmodultypen ein.

Tipp: Bei der Wahl in Ruhe das Pro und Kontra abwägen. Ist relativ viel Platz vorhanden (Scheunendach), bei ungünstiger Ausrichtung und viel diffuser Strahlung bieten sich eher Dünnschichtmodule an. Bei begrenztem Platz (Einfamilienhaus) wird man auf mono- oder polykristalline Module zurückgreifen.
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