PV-Module (Solar Module): Effiziente Energieerzeugung mit Fokus auf Nachhaltigkeit

Die Zukunft der Energiegewinnung ist grün und nachhaltig und PV-Module spielen dabei eine entscheidende Rolle. Photovoltaik-Module, kurz PV-Module oder Solar Module, verwandeln Sonnenlicht in saubere und erneuerbare Energie. Sie sind nicht nur umweltfreundlich, sondern auch äußerst effizient in der Stromerzeugung.

Die Installation von PV-Modulen auf Dächern oder Freiflächen ermöglicht es Hausbesitzern, ihren eigenen grünen Strom zu erzeugen und gleichzeitig ihre Energiekosten zu senken. PV-Module sind vielseitig einsetzbar und können nahezu überall integriert werden.

Mit einem klaren Fokus auf Nachhaltigkeit tragen PV-Module dazu bei, den CO2-Fußabdruck zu reduzieren und die Umweltauswirkungen für die Stromerzeugung zu minimieren. Sie sind eine Investition in die Zukunft und leisten einen wichtigen Beitrag zur globalen Energiewende.

Die PV-Module sind das Herzstück deiner Photovoltaikanlage. Sie nehmen die Photonen des Sonnenlichts auf, wandeln sie in elektrische Energie um und leiten diese mit erhöhtem Spannungsniveau an den Wechselrichter im Haus weiter. PV-Module können sowohl auf Dächern als auch auf Freiflächen im Garten installiert werden. Ein typisches PV-Modul hat eine Fläche von etwa 1,7 bis 2,1 m².

Ergiebige und moderne PV-Module zeichnen sich im Durchschnitt durch eine Nennleistung von 0,37 kWp (370 Wp) bis 0,43 kWp (430 Wp) aus. Für Ein- und Zweifamilienhäuser wird eine Gesamtleistung von 10 kWp (10.000 Wp) empfohlen, damit die heimische PV-Anlage einen möglichst großen Anteil der Stromversorgung übernehmen kann. Das heißt, unter den zuvor genannten technischen Voraussetzungen werden circa 23 bis 27 PV-Module mit einer Gesamtfläche von in etwa 39 bis 57 m² benötigt.

PV-Module setzen sich aus den Solarzellen, Transportleitungen, einem Gehäuse, einer Schutzvorrichtung sowie optional einer Serienschaltung (Stringleitungen) zusammen. In einem PV-Modul sind handelsüblich circa 60 Solarzellen bzw. 108 bis 120 Halbzellen integriert. Halbzellen kann man sich als halbierte Solarzellen vorstellen, die bei gleicher Nennleistung eine merklich verringerte Verlustleistung aufweisen. Innerhalb dieser Solarzellen wird Strom mit Gleichspannung erzeugt und weitergeleitet.

Übersicht über die wichtigsten und gängigsten PV-Module auf dem Markt

Dickschichtmodule aus monokristallinen Solarzellen

Dickschichtmodule speisen ihre Leistung aus Siliziumstäben, die im Rahmen von Schmelzvorgängen hergestellt und anschließend für die einzelnen Module in Scheiben („Wafer“) geschnitten werden. Dabei kommt als Schnitttechnik entweder das Sägen oder das ressourcensparendere „String Ribbon Verfahren“ zum Einsatz. Hierbei durchdringen Drähte die Silizium-Schmelze und erhöhen damit die Oberflächenspannung. Aufgrund der Einkristall-Struktur und des hohen Siliziumanteils weisen PV-Module aus monokristallinen Solarzellen höhere Wirkungsgrade (bis 25%) und geringere Energieverluste auf als PV-Module aus polykristallinen Solarzellen.

Deswegen sind sie meist teurer und insbesondere für Einsatzzwecke geeignet, bei denen große Leistung auf begrenzter Fläche abgerufen werden muss. Eine Serien- bzw. Reihenschaltung wirkt sich positiv aus, weil sie die Gesamtspannung zusätzlich potenziert. Module mit monokristallinen Solarzellen sind gekennzeichnet durch eine nüchterne dunkle Farbgebung, die von fast schwarz bis dunkelblau mit leichtem Graustich reicht.

Dickschichtmodule wiegen meistens zwischen 17 und 23 Kilogramm und damit mehr als Dünnschichtmodule. Sie haben eine nennwertverlustarme Funktionstüchtigkeit von bis zu 30 Jahren. Nennleistungen von bis zu über 400 Wp sind keine Seltenheit. Bei diffusem/gedämpftem Lichteinfall ist jedoch mit Einbußen zu rechnen. Mit Kollektorflächen von 1,7 bis etwas über 2 m2 (exkl. Rahmen) sind sie kompakt gebaut. Ihr Einsatzgebiet ist auf kleinere Wohnhausdächer in Größenordnungen von 20 bis 30 Einheiten zugeschnitten.

Durch den hohen Energieaufwand im Herstellungsprozess amortisieren sich diese PV-Module energetisch etwas später als andere Varianten. Du musst mit 4 bis 6 Jahren rechnen. Im Endeffekt stehen bei monokristallinen Solarzellen der Leistungsstärke und dem fast unschlagbaren Wirkungsgrad leider der hohe Energieverbrauch im Herstellungsprozess und Leistungsverluste bei gestörten Lichtverhältnissen und hohen Temperaturen entgegen.

Dickschichtmodule aus polykristallinen Solarzellen

Photovoltaik-Module, in denen polykristalline Solarzellen eingesetzt werden, gehören ebenso zu den Dickschichtmodulen. Ihre Herstellung ist weitaus kostengünstiger, was sich auch im Kaufpreis niederschlägt. Daher sind die charakteristisch königsblauen Module weiter verbreitet, als Module mit monokristallinen Solarzellen. Das Silizium wird eingangs in Tiegeln geschmolzen, anschließend in blockartige Gussformen überführt und nach sukzessivem Abkühlen in Scheiben („Wafer“) geschnitten (Blockgussverfahren). Ein alternatives Produktionsverfahren besteht darin, das geschmolzene Silizium direkt im Tiegel abzukühlen. Dies geschieht in einer Senke, die sich unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium befindet. Mit der Zeit setzt sich der Erstarrungsprozess bis nach oben fort („Bridgman-Stockbarger-Methode“). Bei beiden Verfahren entstehen unterschiedlich beschaffene Siliziumkristalle, die geringere Reinheitsgrade aufweisen, sodass polykristalline Solarzellen geringere Wirkungsgrade (ca. 15 – 17 %) haben als monokristalline Solarzellen. Aufgrund der Spannungspotenzierung fällt auch bei PV-Modulen mit polykristallinen Solarzellen die erste Wahl auf die Serien-/Reihenschaltung, wobei Parallelschaltungen auch möglich sind. Der günstigere Preis in Kombination mit der geringeren Leistung sorgen dafür, dass polykristalline Solarzellen vor Allem für größere Flächen wie Industriedächer und Freilandanlagen geeignet sind. Bei einer herstellerseitig garantierten Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren, die vergleichbar mit den Lebensdauern anderer Dickschichtmodule ist, liegt die Nennleistung eines Moduls oft unter 300 Wp. Die Module sind mit circa 1,6 bis 1,85 m² Kollektorfläche etwas kleiner als Module mit monokristallinen Solarzellen, haben aber mit 20 bis 25 Kilogramm ein höheres Gewicht. Aufgrund der geringeren Leistung gegenüber monokristallinen Solarzellen und der kleineren Kollektorflächen erweisen sich PV-Module mit polykristallinen Solarzellen für den Privatgebrauch meist als nicht rentabel. Aufgrund der günstigeren Preise profitieren vor allem (kleinere) Industriebetriebe von den Modulen.

Dünnschichtmodule

Bei Dünnschichtmodulen wird als Halbleitermaterial nicht nur Silizium, sondern auch Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid verwendet. Der Materialeinsatz hält sich in Grenzen, was eine automatisierte Fertigung in hohen Stückzahlen begünstigt. Anders als bei Dickschichtmodulen ist kein aufwendiger thermisch-chemischer Herstellungsprozess nötig. Die Halbleiter werden stattdessen in 1 bis 5 Mikrometer dicken Schichten, also mit dem bloßen Auge so gut wie nicht erkennbar, auf Glas- oder Folienträger aufgesprüht oder aufgedampft. Da die Module nicht aus kristallinen Zellen bestehen, haben sie keine quadratischen oder linienförmigen Muster auf Ihrer Oberfläche, sondern ein eher homogenes Erscheinungsbild „aus einem Guss“. Meistens sind sie schwarz. Dünnschichtmodule sind auch für Dächer geeignet, die nicht nach Süden ausgerichtet und die von diffusem Lichteinfall betroffen sind. Durch diese Bauweise ist der Wirkungsgrad eher gering (10 – 13 %). Zudem sind die Module weniger robust und beständig gegen äußere Einflüsse thermischer, chemischer oder mechanischer Art und die Montage ist aufwendiger als bei Dickschichtmodulen. Handelsübliche Nennleistungen von 50 bis 100 Wp und kleine Kollektorflächen von unter 1,0 m² führen dazu, dass erheblich mehr Einheiten mit einer größeren Gesamtfläche erworben werden müssen, um die gleiche Leistung wie mit Dickschichtmodulen zu erreichen. Die gesetzliche Mindestgarantie von 2 bis 5 Jahren wird oft nicht um eine Herstellerproduktgarantie ausgeweitet. Oft werden Dünnschichtmodule in großen Solarparks und Freilandsystemen einsetzt, wo sich aufgrund der großen Menge an Modulen der Einsatz lohnt.

Bifaziale Module

Monofaziale Modulvarianten sammeln Sonnenenergie über Ihre vom jeweiligen Trägerobjekt abgewandten Seiten. Bifaziale Module dagegen, sind dazu in der Lage, über beide Seiten Energie aufzunehmen. Sie können auch das Licht verarbeiten, das auf die freie Dachfläche trifft, von dort abstrahlt und auf die Unterseite der Module reflektiert wird. Denn die Unterseite der Module ist mit Solarzellen sowie einer strahlungsdurchlässigen Schicht aus Folie oder Glas bestückt. Je nach Einfallswinkel, Strahlungsintensität und Aufstellhöhe der Module werden so 10 – 25%ige Mehrerträge erreicht. Besonders auf Flachdächern kann man so die sonst verschenkten Solarenergie effektiv nutzen. Bifaziale Module haben in der Regel einen Bifazialitätsgrad von 60 bis 90 %. Das bedeutet, dass die Rückseite der Module zwischen 60 und 90% des Ertrags der jeweiligen Vorderseiten erbringen können. Durch diese Funktionsweise kann diffuse Sonneneinstrahlungn sehr gut aufgenommen werden. Aufgrund der Verschattung der Rückseite der Module und verschiedener Abstrahlungseigenschaften (Rückstrahlvermögen) des jeweiligen Untergrunds liegt der tatsächliche Mehrertrag bei etwa 10 – 25 %. Man unterscheidet grundlegend zwei Arten von bifazialen Modulen: PERC-Module und Heterojunction-Module. PERC-Module sind in der Lage, energiearmes und langwelliges rotes Licht besser in den Solarzellen zu verarbeiten, welches vor Allem morgens und abends vermehrt auftritt. Über das Prinzip der Rückseitenpassivierung kann dieses rote Licht, welches sich normalerweise kaum zur Stromerzeugung eignet, besser reflektiert und von den Zellen zur Energieumwandlung genutzt werden. Diese Verlustverhinderung kann den Modulwirkungsgrad um 0,5 bis 1,5% steigern. Die entscheidenden Nachteile der PERC-Module, die aktuell noch Ihre Durchsetzungsfähigkeit auf dem Gesamtmarkt einschränken, liegen In ihrer altersbedingten und lichtinduzierten Degradation. Das heißt, dass PERC-Module vergleichsweise schnell verschleißen. Ihr Bifazialitätsfaktor beträgt um die 70 %. PERC-Module eignen sich für den Einsatz auf kleineren Flächen ohne günstige Südausrichtung und bei regelmäßigen Bedarfsspitzen am Morgen und Abend. Von weniger Degradation sind die Heterojunction-Module betroffen. Dies liegt daran, dass bei Ihnen im Herstellungsprozess p-Silizium, anstatt das degradationsbegünstigende n-Silizium zum Einsatz kommt. Die Heterojunction-Solarzellen sind ein Hybrid aus monokristallinen und Dünnschichtsolarzellen. Ähnlich, wie bei den PERC-Modulen, wird bei den Heterojunction-Modulen der Ladungstransport verstärkt – hier zurückzuführen auf unterschiedliche Dotierungen und Fertigungsmaterialien der beiden Zellenarten. Dadurch werden hohe Wirkungsgrade von über 24 % ermöglicht. Die oberen Seiten mit dem kristallinen Silizium-Wafer bilden eine positive, p-dotierte Schicht mit einem positiven Ladungsüberschuss. Die in der Mitte befindliche, kristalline Schicht sowie die Dünnschichtzelle auf der phosphor-legierten Unterseite sind dagegen n-dotiert mit Elektronenüberhang. Im Zuge dieses Prinzips wird ein elektrisches Feld erzeugt, dass den Elektronentransport in der Solarzelle vorantreibt und die Spannung erhöht. Es handelt sich um Zellen, die Elektronenverluste gezielt unterbinden und effizient arbeiten. Ausgezeichnete Bifazialitätsfaktoren von 90% sind daher bei Heterojunction-Modulen keine Seltenheit, sodass sie unter den bifazialen Modulen die bevorzugte Wahl darstellen. Zudem sind sie aufgrund niedrigerer Herstellungskosten günstiger in der Anschaffung als PERC-Module. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass Heterojunction-Module sowohl als monofaziale, als auch als bifaziale Module konzipiert sein können.

Glas-Folie-Module

Neben der allgemeinen Dicke bzw. Stärke der Module und der Beschaffenheit Ihrer Solarzellen kann man PV-Module ebenso nach ihrem Verbundmaterial klassifizieren. Nach diesem Unterscheidungskriterium gibt es Glas-Folien-Module und Glas-Glas-Module. Glas-Folien-Module sind aufgrund ihrer materialsparenden Bauweise und ihrer günstigeren Preise häufiger verbreitet. Sie sind der Klassiker unter den Dickschichtmodulen (können aber auch als Dünnschichtmodule in Erscheinung treten). Auf der vorderen, zu den Sonnenstrahlen hingewandten Seite, befindet sich eine antireflexive (Sicherheits-) Glasschicht. Diese ist temperatur-, witterungs- und erschütterungsbeständig. Darunter befindet sich eine transparente, lichtdurchlässige Einbettungsfolie aus Ethylen-Vinyl-Acetat, die dazu dient, die darunterliegenden monokristallinen bzw. polykristallinen Solarzellen sicher zu verwahren. Natürlich dürfen Anschlüsse und Lötverbindungen nicht fehlen, da sonst kein Energietransport stattfinden kann. An der hinteren Seite des Moduls befindet sich eine reißbeständige Rückseitenfolie, die zumeist aus Poly-Vinyl-Fluorid (Tedlar) gefertigt ist. Diese Rückseitenfolie punktet durch ein geringes Gewicht mit sich, bietet allerdings auch geringeren Schutz. Glas-Folien-Module, die in einen Aluminiumrahmen eingebettet sind, bieten mehr Stabilität. Das Farbspektrum von Glas-Folien-Module ist vielfältig und reicht von milchig weiß über dunkelblau bis hin zu dunkelgrau, jeweils in Abhängigkeit von den verbauten Glas- und Folienbestandteilen. Es gilt: Je weniger transparent die Rückseitenfolie ist, desto höher der Wirkungsgrad, da das einfallende Licht stärker zu den Solarzellen zurückreflektiert wird. Analog zu den Charakteristika der Dickschichtmodule variieren die Wirkungsgrade von Glas-Folien-Modulen von circa 15 bis 25%, je nachdem, ob es sich um ein monokristallines oder polykristallines Modul handelt.  Dem günstigeren Preis und der leichteren Handhabung steht als Nachteil gegenüber, dass Glas-Folien-Module anfälliger für äußere Schäden jeglicher Art sind, insbesondere für Riss- und Brandschäden. Das führt zu einer geringeren Lebensdauer und häufigeren Defekten im Vergleich zu Glas-Glas-Modulen.

Glas-Glas-Module

Glas-Glas-Module sind sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite mit (Sicherheits-) Glasschichten bestückt. Diese Bauweise sorgt dafür, dass sie allgemein widerstands- und strapazierfähiger sind, als Glas-Folien-Module. Sie können sowohl an Dächern als auch an Fassaden oder anderen exponierten Stellen angebracht werden. Sie sind weniger schadensanfällig für äußere Störfaktoren wie Extremwetterlagen. Auch das Eindringen unerwünschter Stoffe, wie z.B. von Wasserstoff, sowie leistungsmindernde Verbiegungen werden verhindert. Lebensdauern von bis zu 30 Jahren sind für die circa 20 Kilogramm schweren Module üblich und werden auch von den Herstellern garantiert. Da die schutzverstärkenden Glasschichten in der Fertigung immer dünner werden (mittlerweile nur noch ungefähr 2 mm dick), relativieren sich die Gewichtsunterschiede zu den Glas-Folien-Modulen immer mehr.  Glas-Glas-Module sind aktuell noch zwischen 10 und 15 % teurer als das Glas-Folien-Module. Im Regelfall handelt es sich bei Glas-Glas-Modulen um bifaziale Module bzw. PERC-Module, sodass sie beidseitig Sonnenstrahlen aufnehmen können. Im direkten Vergleich zu Glas-Folien-Modulen bestechen die Glas-Glas-Module durch eine bessere Wärmeleitfähigkeit und im Zuge dessen auch durch eine höhere Leistung, von im Durchschnitt über 22 % Modulwirkungsgrad. Die Brandsicherheit fällt positiv ins Gewicht, da Glas de facto nicht entflammbar ist (Glas beginnt erst bei circa 600 Grad Celsius sich zu verformen). Die Glasschichten sorgen für einen sehr guten Transport der auf die Module treffenden Photonen aus den Sonnenstrahlen, weil die Durchlässigkeit zu den Solarzellen hervorragend ist. Über die Zeit behalten Glas-Glas-Module Ihre Nennleistung besser bei, als Glas-Folien-Module. Sie weisen nach 25 Jahren noch circa 89-90 % Ihrer ursprünglichen Nennleistung auf. Bei den Glas Folien-Modulen sind es dagegen nur noch 85-87 %. Der Einsatz von Glas-Glas-Modulen ist zudem nachhaltiger: Einerseits sorgen die längere Einsatzfähigkeit und Leistungsbeständigkeit der Module für eine längere Taktung in der Entsorgungsrate. Andererseits können die Glaskomponenten leichter entsorgt und durch Einschmelzen wiederverwendet werden. Sowohl der höhere Preis als auch das höhere Gewicht führt dazu, dass die Montage von Glas-Glas-Modulen vergleichsweise teurer ist.