Photovoltaik Module 2018


Photovoltaik Module – Bausteine zur Sonne

Der Solarenergiemarkt wächst weiter. Zentraler Bestandteil der Technologie sind die Photovoltaik Module, die sich während der letzten 20 Jahre technologisch kontinuierlich weiterentwickelt haben. Vorübergehend sanken die Preise für Photovoltaik Module durch hohe Importzahlen aus Südostasien, vor allem China. Nachdem die Importzahlen für Photovoltaik Module nun beschränkt wurden, steigt der Preis nun wieder an. Wodurch unterscheiden sich die verschiedenen Photovoltaik Module?

 

 

Grundsätzliches zur Beschreibung von Photovoltaik Modulen

© vector/ AngelaStolle

Die Anfänge der Photovoltaiktechnik liegen in der Raumfahrt. In den 1980er Jahren wurde die solare Technologie nach der Ölkrise dann gezielt für den Einsatz im terrestrischen Bereich weiterentwickelt. Mittlerweile sind Solarzellen zur Stromerzeugung überall im Einsatz. Minisolarzellen versorgen Taschenrechner und großflächige In-Dach oder Auf-Dach-Lösungen decken theoretisch den Energiebedarf eines ganzen Eigenheims ab. Denn bei sehr guten Bedingungen können jährlich mit 20 Quadratmeter Kollektorfläche schon über 1200 Kilowattstunden Solarstrom erzeugt werden. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es wichtig, die richtigen Module für den jeweiligen Standort zu wählen.

Um eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen, werden die Solarzellen, die das Licht in elektrische Energie wandeln in Photovoltaik Modulen in Reihe geschaltet, sodass sich die Spannung der einzelnen Solarzellen addiert. Die Solarzellen innerhalb der verschiedenen Module werden unterschiedlich hergestellt, haben unterschiedliche Wirkungsgrade, kosten unterschiedlich viel und bei ihrer Herstellung werden unterschiedliche Rohstoffe verwendet.

Mit dem Wirkungsgrad wird beschrieben, wie viel nutzbare Stromenergie im Verhältnis zur solaren Einstrahlungsenergie erzeugt wird. Je höher der Wirkungsgrad, desto höher ist der Stromertrag, den eine Solarzelle bei gleicher Sonneneinstrahlung produziert. Dabei liegt das Verhältnis Leistung pro Modul-/Zellfläche zugrunde. Das verwendete Trägermaterial beeinflusst den Wirkungsgrad zusätzlich. Unterschieden wird außerdem zwischen dem Zell- und Modulwirkungsgrad, also der Leistung, die sich bei der Reihenschaltung der verwendeten Solarzellen insgesamt durch das jeweils verwendete Modul ergibt.

Die Lebensdauer der Photovoltaik Module hat sich stark verbessert und liegt in der Regel bei mindestens 20 Jahren. Die Entwickler haben die Module anhand der gewonnenen Erfahrungswerte zunehmend so konstruiert, dass sie immer resistenter gegen widriges Wetter geworden sind. Weil sie sehr lange hält, ist eine Photovoltaikanlage auch bei der gesunkenen Einspeisevergütung immer noch rentabel.

Mit der maximalen Degradation macht der Hersteller eine garantierte Angabe darüber, welche Leistung auch nach einer definierten Zeit (meist 20 Jahre) noch erbracht wird. Die Degradation sollte nicht höher sein als 10 bis 20 Prozent in 20 Jahren. Ist ein Modul in Ostasien gefertigt worden, ist allerdings kaum davon auszugehen, dass Garantierechte tatsächlich in Anspruch genommen werden können. Um sicherzugehen, dass in der schnelllebigen Branche etwaige Garantieansprüche gewahrt bleiben, sollte man Hersteller aussuchen, die idealerweise Ansprüche der Kunden insolvenzsicher über eine Versicherung absichern.

Monokristalline Photovoltaik Module

© Sandra.Höfer
Monokristallines Photovoltaik Modul © Sandra.Höfer

Monokristalline Photovoltaik Module bestehen aus großen Siliziumkristallen, die „Ingots genannt werden. Ingots werden gezüchtet, indem Silizium geschmolzen und dann wieder kontrolliert abgekühlt wird. Während der Ingot abkühlt, wird er ständig rotiert, sodass ein Einkristall entsteht, der von hoher Reinheit ist. Die so gewonnenen Kristalle haben einen besonders hohen Wirkungsgrad. Der aufwendige Fertigungsprozess verursacht aber hohe Kosten. Der hohe Energieverbrauch bei der Produktion der Kristalle hat dafür gesorgt, dass die Umweltbilanz von monokristallinen Photovoltaik Modulenkritisch hinterfragt wurde.

Bei der Herstellung der monokristallinen Photovoltaik Module wird aus den einkristallinen Ingots dünne Scheiben gesägt, die „Wafer“ genannt werden. Die Wafer werden in chemischen Bädern gereinigt und dann mit einem Siebdruck versehen, der die Wafer so strukturiert, dass der generierte Strom später besser abgegriffen werden kann. Hat ein Wafer dieses Stadium der Fertigung erreicht, spricht man von einer Solarzelle.

Die einzelnen Solarzellen werden miteinander verschaltet und nach ihrer Beschichtung mit einer durchsichtigen Ethylen-Vinyl-Acetat Folie in Aluminium oder Edelstahl gerahmt. An diesen Rahmen werden die Photovoltaik Module dann mit einem vorgefertigten Montagesystem aus Haken und Schienen an der Tragfläche befestigt.

Monokristallinen Photovoltaik Module erreichen sehr hohe Wirkungsgrade zwischen 14 und 18 Prozent. Bei direkter Sonneneinstrahlung kann auch ein noch höherer Wirkungsgrad mit 20 Prozent erreicht werden. Hohe Temperaturen der Umgebung oder schwaches oder diffuses Licht können sich aber negativ auf die Leistungsfähigkeit auswirken. Monokristalline Photovoltaik Module sollten nur dann eingesetzt werden, wenn eine Ausrichtung der Module in südliche Richtung möglich ist.

Die Lebensdauer monokristalliner Photovoltaik Module liegt bei mindestens 20 bis 30 Jahren. Ihr Wartungsaufwand ist nur gering und mit einer altersbedingten Degradation aufgrund von Verschleiß ist kaum zu rechnen. Monokristalline Photovoltaik Module werden oft eingesetzt, wenn Platzprobleme bestehen oder statische Herausforderungen gegeben sind. In diesem Fall können diese kostspieligen Module durch ihren hohen Wirkungsgrad auch bei fehlendem Platz die notwendige Leistung erbringen.

Polykristalline Photovoltaik Module

© Sandra.Höfer
Polykristallines Solarmodul © Sandra.Höfer

Günstiger, weil einfacher herzustellen, sind polykristalline Photovoltaik Module. Das Verhältnis von Preis zu Leistung fällt für sie besonders günstig aus.Bei der Herstellung der polykristallinen Zellen wird das Silizium erhitzt und geschmolzen, dann in Blockform gegossen und in scheibenweise zersägt. Wenn die scheibenförmigen Wafer auskühlen, bilden sich inhomogene Strukturen innerhalb der Orientierung des Kristalls. Diese strukturbedingten Verunreinigungen vermindern den Wirkungsgrad, der derzeit um 12 bis 16 Prozent liegt. Polykristalline Photovoltaik Module reagieren ähnlich sensibel wie monokristalline Photovoltaik Module auf Verschattungen oder ungünstige Temperaturbedingungen. Sie werden ebenfalls mit Haken an ihrem Aluminium- oder Edelstahlrahmen montiert und sind auch für den Einsatz auf Freiflächen geeignet. Wer viele Module aufstellen kann, da die verfügbare Fläche groß ist, kann den geringeren Wirkungsgrad durch die günstigeren Anschaffungskosten ausgleichen. In der Lebensdauer und der zu erwartenden Leistungsdegradation sind polykristalline Photovoltaik Module mit monokristallinen Photovoltaik Modulen vergleichbar.

Polykristalline Photovoltaik Module sind die beliebtesten Photovoltaik Module mit dem größten Marktanteil. Bei ausreichender Dach- oder Freifläche werden immer polykristalline Solarmodule empfohlen.

Dünnschichtmodule

Dünnschicht Module
Dünnschicht Module

Amorphe Solarmodule, die auch Dünnschichtmodule genannt werden, bestehen aus einer dünnen Schicht aus amorphem oder kristallinem Silizium oder Kadmium-Tellurid, Galliumarsenid oder Kupferindiumselenid, das auf ein Trägermaterial aufgedampft wird.

Sie können bei gering verwendeten Siliziumanteilen günstig gefertigt werden und werden daher immer beliebter. Ihr Wirkungsgrad liegt aber auch bei nur 6 bis 10 Prozent und damit deutlich unter dem von poly- oder monokristallinen Solarmodulen. Amorphe Module sind mit 8 und 16 kg je nach Größe extrem leicht und flexibel und können auch bei diffusem Licht oder bei Verschattungen noch mit gutem Ergebnis eingesetzt werden.

Glas-Glas-Module

Glas-Glas-Module sind sehr robust gegenüber Witterungseinflüssen und zeichnen sich durch eine hohe Langlebigkeit aus. Doppelglasmodule, wie Glas-Glas-Module auch genannt werden,schützen die Solarzellen durch eine beidseitige Ummantelung mittels gleichdicker Glasscheiben.

Das verwendete gehärtete Dünnglas hat eine Dicke von nur 2 Millimetern und wird in einem Guss- oder Floatglasverfahren hergestellt. Eine Antireflex-Beschichtung (AR-Beschichtung) sorgt dafür, dass es nicht zu Reflexionsverlusten an den Grenzflächen zwischen Luft und Glas kommt. Ein Doppelglasmodul mit 60 Zellen wiegt etwa 20 kg. Doppelglasmodule müssen präzise montiert werden und oft sind mehr Haken als bei anderen Photovoltaik Modulen notwendig, was die Montage insgesamt aufwendiger macht.

Auf einen äußeren Rahmen wird bei Glas-Glas-Modulen oft verzichtet, sodass die Staukante wegfällt und die Module einer besseren Selbstreinigung unterliegen.

Doppelglasmodule haben laut der Hersteller eine Lebensdauer von 30 Jahren mit konstanter Leistung. Damit liegt die Lebensdauer im Schnitt 5 Jahre über der zu erwartenden Lebensdauer anderer Photovoltaik Module. Auch bei Transport und Montage sind Doppelglasmodule kaum anfällig für Mikrorisse in den Solarzellen, die unter Umständen durch Zug- und Druckspannungen auftreten können. Das rückseitige Glas sorgt zudem dafür, dass kein Kondenswasser oder Sauerstoff durchgelassen wird und die sensiblen Solarzellen beschädigt.

 

Glas-Folie Module

CIGS Solarzelle
CIGS Solarzelle Quelle: Wikipedia

Bei Glas-Folie Modulen wird die Solarzelle von einer Glasplatte an der Vorderseite und einer Kunststofffolie an der Rückseite eingefasst. Das verwendete gehärtete Glas ist besonders lichtdurchlässig und soll die Solarzellen vor Umwelteinflüssen und anderen Beschädigungen schützen. Auf der Rückseite befindet sich eine stabile Polyvinylfluoridfolie mit dem elektrischen Anschluss. Die verwendeten Zelltypen können sich unterscheiden, sodass analoge preisliche Unterschiede gegeben sind. Die Leistung von Glas-Folie Modulen wird durch die Hersteller meist bis zu 25 Jahre garantiert.

Flexible und semiflexible Solarmodule

Flexible Solarmodule werden vor allem für den Einsatz auf See gefertigt und sollen Wohnmobile, Flugzeuge oder Boote mit Sonnenenergie versorgen. Neben ihrer Biegsamkeit kennzeichnet flexible Solarmodule ihr geringes Gewicht. Sie sind so konstruiert, dass sie extrem beständig gegenüber Wasser und Salzwasser sind und über die dicht angelegten Kabelausgänge kein Wasser eintreten kann. Flexible Solarmodule können auch in Textilien wie Trekkingmode oder in Zeltstoffen eingearbeitet werden. Auch wenn sie gefaltet oder gerollt werden, nehmen sie keinen Schaden. Flexible Solarmodule verwenden Solarzellen, bei denen die Umwandlung des Lichts mittels organischer Farbstoffmoleküle erfolgt. Da kein Silizium verwendet wird, sind die aktiven Zellschichten mit wenigen Hundert Nanometern hauchdünn.

Semiflexible Solarmodule sind sehr dünne Solarmodule, die auf Aluminiumplatten und unter einer Kunststoffdeckschicht liegen und insgesamt etwa zwei Millimeter stark sind. Die Kunststoffoberfläche macht die biegsamen Solarmodule begehbar. Sie sorgt aber auch dafür, dass nicht so viel Sonnenlicht durchdringen kann wie bei herkömmlichem Schutzglas, sodass der erzielte Wirkungsgrad der Module insgesamt geringer ausfällt. Da sich die flexiblen Photovoltaik Module oft auch stark erhitzen, zum Beispiel wenn sie auf einem Bootsdeck montiert werden, senkt das insgesamt ihre Leistungsfähigkeit. Um die fehlende Leistung auszugleichen, müssen die Module daher meist großflächiger verlegt werden als starre Module.

Hybridsolarmodule

Photovoltaik Module, die nicht nur Sonnenenergie in Strom wandeln, sondern die dabei entstehende Wärme zugleich zu Heizzwecken einsetzen, werden Hybridmodule oder Photovoltaik-Thermie-Module (PVT) genannt. Unterschieden werden dabei abgedeckte und unabgedeckte PVT-Module. Die Konstruktion von PVT-Modulen ist daher komplexer als die herkömmlicher Photovoltaik Module.

Das unabgedeckte Hybridmodul soll möglichst viel Solarstrom erzeugen, das durch Glas abgedeckte Hybridmodul möglichst viel Solarwärme.

Auf der Rückseite der Module befindet sich ein thermisches Bauteil mit einer Spezialbeschichtung, der sogenannte „Absorber“, in dem eine Solarflüssigkeit zirkuliert, die die generierte Wärme aufnimmt. Der Absorber sorgt dafür, dass sich die Solarflüssigkeit möglichst schnell sehr hoch erhitzt. Diese Solarflüssigkeit wird dann in einen Solarwärmespeicher gelenkt, von wo sie eine Heizung oder Wasser erhitzt.

Hybridmodule werden vor allem dort eingesetzt, wo das ganze Jahr über Wärme benötigt wird wie beispielsweise in öffentlichen Schwimmbädern oder auch in Hotelanlagen mit konstant hohem Wasserbedarf. Kann die erzeugte Wärme nicht das ganze Jahr über genutzt werden, sind PVT-Module selten rentabel. Integriert in die Hausfassade können Hybridmodule Solarstrom produzieren und die erzeugte Wärme zeitgleich zur Fassadendämmung verwenden.

Bei einem Dach eines normalen Wohnhauses ist die nutzbare Solarfläche meist größer als die Kollektorfläche, die zur Deckung des Wärmebedarfs notwendig wäre. In diesem Fall ist es dann sinnvoller, herkömmliche Photovoltaik Module mit PVT Modulen zu kombinieren. Denkbar ist auch der Einsatz von Hybridmodulen in Kombination mit einer Erdwärmepumpe. Die überschüssige Solarwärme wird dabei über Erdwärmesonden in das Erdreich abgeführt. Das erwärmt den Boden und sorgt dafür, dass ein höheres Quellentemperaturniveau zur Verfügung steht, was sich positiv auf die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe auswirkt.

 

Solarziegel

Photovoltaik Module werden auch in Form verkabelter Solardachziegeln als sogenannte Modulziegel angeboten. Diese Solardachziegel werden nicht per Haken und Schienen auf dem Dach angebracht oder in die Dachhaut eingelassen, sondern werden wie herkömmliche Ziegel auf dem Dach verlegt.

Gerade weil für viele Verbraucher neben der Möglichkeit, Energie durch Eigenstrom zu erzeugen auch das ästhetische Aussehen ihrer Solaranlage wichtig ist, werden Modulziegel immer beliebter. Die Photovoltaik Module in Ziegelform können optisch unauffällig und genau passend zum verfügbaren Platz auf dem Dach und dem benötigten Energiebedarf installiert werden. Weil sie die Dachdeckung ersetzen, sparen sie bei einem Neubau oder einer erforderlichen Dachsanierung zusätzliche Kosten.

Die ältesten Versionen derartiger Solarzellen, die auf Tonziegel aufgeklebt wurden, waren noch wenig leistungsstark und rentabel. Ihre Verkabelung untereinander war so aufwendig, dass sie mittlerweile von moderneren Varianten ersetzt wurden. Dabei wird die Solarzelle entweder in die Ziegel eingebaut oder die Solarzelle funktioniert selber als Dachziegel. An der Innenseite des Daches werden die Ziegel dann verkabelt und so zu Modulen zusammengefasst. Neuere Versionen der Solardachziegel werden aus Kunststoff oder in Schieferoptik hergestellt. Solarziegel aus Kunststoff besitzen eine Schicht aus Solarzellen, die mit einer transparenten Kunststoffscheibe isoliert sind. Der Hersteller Tesla hatte 2016 auch Solarziegel aus Quarzglas vorgestellt.

 

Balkon-Solarmodule

Balkonkraftwerk

Balkon-Solarmodule werden auch als „Stecker-Solar-Geräte“ bezeichnet und sind kleine Photovoltaiksysteme, die an normale Steckdosen im Haushalt angeschlossen werden können. So speisen die Geräte Strom direkt in das Stromnetz einer Wohnung, wo dieser die dort angeschlossenen und eingeschalteten Elektrogeräte betreiben kann. Derartige Module können den Jahresverbrauch eines Kühlschranks oder einer Spülmaschine generieren.

Plug-In-Photovoltaikmodule, wie „Stecker-Solar-Geräte“ auch genannt werden, können auf der Brüstung von Balkonen, auf Terrassen oder auf Garagendächern angebracht werden. Sie sind sehr einfach konstruiert, daher auch kostengünstig und amortisieren sich bereits nach etwa zehn Jahren. Durch einen Modulwechselrichter wird der über die Sonne erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und per Steckverbinder direkt in die dafür geeignete Steckdose eingespeist.

Mit Stecker-Solar-Geräten können auch Nicht-Eigentümer erneuerbare Energien für den Eigenverbrauch nutzbar machen. Ohne Erlaubnis des Vermieters darf allerdings keine Photovoltaik-Anlage an Balkon oder Hauswand angebracht werden. Auch bei einer Eigentumswohnung ist die Einwilligung der Eigentümergemeinschaft notwendig.

Wird mehr Strom erzeugt als verbraucht werden kann, gelangt der überzählige Strom ins öffentliche Stromnetz. Die Bundesnetzagentur hat 2016 entschieden, dass ein 150-Watt-Solarmodul sich nicht schädlich oder störend auf das öffentliche Netz auswirkt und daher diese Stromeinspeisung nicht zu beanstanden sei.

Stecker-Solar-Geräte dürfen auch an die übliche Steckdose angeschlossen werden, allerdings wird empfohlen, eine spezielle Einspeisesteckdose zu verwenden und zu prüfen, ob der individuelle Stromkreis dazu geeignet ist, Strom aus Solar-Einspeisungen so aufzunehmen, wie es von der Installationsnorm verlangt wird. Auch für „Kleinstanlagen“ gelten Rechte und Pflichten wie für Großanlagen. Würde der eingespeiste Solarstrom per Zähler erfasst, könnte für diesen die Einspeisevergütung des EEG geltend gemacht werden. Die vorgegebenen Meldepflichten müssen hierfür dann aber erfüllt werden.

Photovoltaik Modul Test

Fazit – Die richtige Wahl

Welches Photovoltaik Modul ideal ist, kann nicht pauschal gesagt werden. Im Einzelfall ist für eine Entscheidung relevant, welche Leistung und welcher Ertrag erreicht werden soll.

Bei viel Platz und guten Lichtverhältnissen mit direkter Sonneneinstrahlung ohne Verschattungen, kann eine große Fläche von Modulen mit einem geringeren Wirkungsgrad zu günstigeren Anschaffungskosten bestückt werden. Wer wenig Platz hat und deshalb den Ertrag seiner Anlage optimieren muss, wählt teurere Module mit hohem Wirkungsgrad, um die erforderliche Energiemenge zu erzeugen.

In jedem Fall ist es sinnvoll, vor der Suche nach einem geeigneten Photovoltaik Modul den zu erwartenden Verbrauch sehr genau zu kennen.

Einspeisungen in das Stromnetz von nicht direkt verwertbarem Strom werden nicht mehr so lukrativ vergütet wie noch vor einigen Jahren. Mit einem Batteriespeicher auf Blei- oder Lithiumbasis kann der gewonnene Solarstrom flexibel genutzt werden. Auch, wenn die Sonne nicht scheint, steht dann Energie zur Verfügung und der Eigenverbrauch lässt sich möglichst effizient steigern.

Hi Five!
Danke!