Solarmodule - der Weg zu mehr Nachhaltigkeit

Solarmodule – der Weg zu mehr Nachhaltigkeit

19. April 2021 | Veröffentlicht von: Janine Conradi

Der Ausbau erneuerbarer Energien schreitet voran! Alleine im Jahr 2020 wurden in Deutschland rund 50,4 Milliarden Kilowattstunden Strom mittels Photovoltaikanlagen erzeugt – das sind 11,8 Prozent mehr als noch im Jahr zuvor. Beeinflusst durch den positiven Trend hin zu einer nachhaltigen und dezentralen Energieversorgung, wird auch in der Photovoltaikbranche vermehrt geforscht.

Mittlerweile gibt es viele verschiedene Arten von PV-Modulen. In diesem Beitrag thematisieren wir die gängigsten Modularten, die neuesten Technologien und welche Vorteile sie mit sich bringen.

Solarmodule: die verschiedenen Zelltypen

Poly-, monokristalline und Halbzellen-Solarmodule

Solarmodule sind das Herzstück einer jeden Solaranlage und lassen sich in zwei Arten unterscheiden: kristalline und Dünnschicht Module. In der Regel bestehen Photovoltaikanlagen aus kristallinen Solarmodulen. Diese lassen sich in mono- und polykristalline PV-Module unterteilen.

Eine Sonderform stellen die Halbzellen-Solarmodule dar. Durch die Half-Cut-Technologie erbringen diese eine höhere Leistung.

Monokristalline Solarmodule

Viele Modulhersteller bieten aufgrund der bestehenden Vorteile überwiegend monokristalline Solarmodule an. Sie überzeugen im Gegensatz zu polykristallinen Modulen mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad und produzieren somit bei vergleichbar weniger Dachfläche dieselbe Strommenge. Gerade bei begrenztem Platz bieten sich daher monokristalline Module für eine Solaranlage an.

Aufgrund des aufwendigeren Herstellungsprozesses sind monokristalline Solarpaneele jedoch teurer als die Polykristallinen. Bei der Herstellung werden reinkristalline Stäbe aus einer Siliziumschmelze gezogen und anschließend in dünne, quadratische Scheiben mit abgerundeten Ecken zerteilt. Diese kleinen Scheiben bezeichnet man auch als Wafer. Einzelne Solarzellen werden dann zu Solarmodulen miteinander verschaltet. Abschließend werden die Solarpaneele beschichtet und gerahmt. Erkennbar sind die Module vor allem dank ihres elegant dunkelblauen bis schwarzen Designs.

Polykristalline Solarmodule

Polykristalline Solarmodule haben den Vorteil gegenüber Monokristallinen, dass sie deutlich günstiger sind. Ihr Herstellungsprozess ist einfacher und sie enthalten weniger reines Silizium. Bei der Produktion von Solarmodulen wird Siliziumschmelze in Blöcke gegossen. Durch das Abkühlen der Masse bilden sich kleine Siliziumkristalle in verschiedenen Größen. Von diesem Block werden einzelne Scheiben (Solarzellen) abgeschnitten und zu einem Modul zusammengesetzt. Jedes Modul wird dann mit einem Edelstahl oder Aluminium Rahmen versehen.

Im Herstellungsprozess entstehende Verunreinigungen können sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirken. Positiv hervorzuheben ist, dass bei der Herstellung polykristalliner Solarmodule deutlich weniger Materialabfälle entstehen. Optisch sind polykristalline Zellen eher quadratisch und sehen leicht bläulich aus.

Halbzellen Solarmodule

Eine Sonderform im Bereich der Solarmodule stellen die sogenannten Half-Cut-Module dar. Hier werden die Solarzellen in zwei identische Hälften geteilt, wodurch sich die Leistung der Solarpaneele deutlich verbessert.

Alle Zellen sind in Reihe geschaltet und in mehrere Strings segmentiert. Die beiden identischen Modul-Hälften werden in der Mitte parallel geschaltet. Sie ergeben ein Modul mit doppelt so vielen „Halb“-Zellen. Der dadurch erzielte Leistungsanstieg ist unter anderem auf die Verringerung der Widerstandsverluste zurückzuführen, der durch die Halbierung des Zellenstroms erreicht wird. Zusätzlicher weißer Raum zwischen den Zellen verstärkt die Reflexion des Lichts, sodass mehr Licht absorbiert werden kann.

Solarmodule: neue Technologien

Tandem-Solarzellen

Eine Tandem-Solarzelle besteht aus mehreren übereinandergeschichteten Zellen: Der Vorteil ist, dass unterschiedlich verwendete Materialien verschiedene Teile des Lichts (optisches Spektrum) zur Stromerzeugung nutzen. Ein Forschungsteam aus Berlin fand heraus, dass mehrschichtige Solarzellen aus zwei Halbleitern höhere Wirkungsgrade erzielen als reine Siliziumzellen, da sie das Sonnenspektrum effizienter nutzen.

Funktionsweise der Tandem-Solarzelle: Die oberste Seite, welche der Sonne zugewandt ist, absorbiert das Licht mit kurzen Wellenlängen. Hier werden die Infraroten Anteile des Lichts durch die Silizium-Zellen in elektrische Energie umgewandelt. So wird das von den oberen Zellen nicht genutzte Sonnenlicht von den darunter liegenden Solarzellen mit Perowskit-Verbindungen absorbiert und effektiv genutzt. So kann durch die Kombination beider Materialien auf gleicher Fläche mehr Energie erzeugt werden. Mit Tandem-Solarzellen erreichten Forscher erstmals einen Wirkungsgrad von nahezu 30 Prozent.

Bifaziale Solarzellen

Bei der Anwendung bifazialer Zellen ist auch die Rückseite von Solarmodulen mit einer Glasscheibe versehen. Der Grund: die Zellen absorbieren Licht beidseitig. So werden Sonnenstrahlen, welche von oben auf das Modul scheinen, durch das hintere Glas reflektiert und von den rückseitigen Zellen energetisch umgesetzt.

Solche Zellen finden häufig in Floating PV-Anlagen, in Lärmschutzwänden sowie in vertikalen Solaranlagen wie zum Beispiel in der Landwirtschaft Anwendung. Eine Bewirtschaftung der landwirtschaftlichen Fläche ist so immer noch möglich.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen funktionieren über spezielle Kohlenwasserstoffverbindungen: Sie gehören zum Forschungsstand der organischen Chemie. Aktuell befinden sich diese Zellen noch in der Entwicklung. Bisher konnte mit organischen Solarzellen ein Wirkungsgrad bis zu 11 Prozent erreicht werden – Tendenz weiter steigend. Durch Rolldruckverfahren wird eine günstige Massenproduktion angestrebt, da sich die photovoltaisch aktiven Schichten sehr dünn und flexibel auf Kunststoffrollen auftragen lassen.

Zukünftig bieten sie ein enorm großes Potenzial: Durch ihre hohe Effizienz sowie Transparenz im sichtbaren Spektralbereich lassen sich die Solarzellen ideal an Fenstern anbringen. Ebenfalls könnte man organische Solarzellen bereits in der Produktion von Fensterscheiben zwischen die Doppel- und Dreifachverglasung integrieren. Die meisten Bürohochhäuser besitzen bereits leicht eingefärbte Glasscheiben, um im Sommer die Innenräume kühl zu halten. Aktuell wird noch geprüft, inwieweit eine Lebensdauer der organischen Moleküle von zehn Jahren bestätigt werden kann.

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Fazit

Neue Technologien und positive Klimabilanz

Die Entwicklungen im Bereich der Solarenergie sind noch lange nicht abgeschlossen. Durch neu entwickelte innovative Technologien werden die bereits bestehenden Solarmodularten weiterhin optimiert, um den bestmöglichen und größten Ertrag aus der Sonnenenergie zu erzielen. Vor allem durch den positiven Einfluss auf die Klimabilanz sowie das steigende Interesse an Erneuerbaren Energien werden die Einsatzgebiete immer vielfältiger und größer. Auch in Kombination mit Elektromobilität bieten Photovoltaikanlagen ganz neue Möglichkeiten.

Quellen und Links:

energie-experten (2020): Bifaziale Solaranlagen: Technik, Ertrag und Anbieter im Überblick, Stand 30.03.2021

energie-experten (2018): Solarmodule im Vergleich: Welches Modul lohnt sich für meine Solaranlage?, Stand 30.03.2021

energiezukunft (2021): Photovoltaik-Forschung: Perowskit-Silizium-Zellen bei nahezu 30 Prozent Wirkungsgrad, Stand 30.03.2021

INGENIEUR.de (2020): Neuer Solarzellentyp bricht Rekorde im Wirkungsgrad, Stand 30.03.2021

Jan Oliver Löfken (2020): Fenster als Solarkraftwerk – Welt der Physik, Stand 30.03.2021

Solaranlage Ratgeber (2021): Photovoltaik-Module im Vergleich, Stand 30.03.2021