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Aufbau und Bestandteile eines Solarmoduls
Was genau ist ein Solarmodul? Ein Solarmodul ist eine Solaranlage bestehend aus vielen Solarzellen, die für die Erzeugung von Strom mit Photovoltaikanlagen genutzt wird.
Aufbau eines Solarmoduls
Der Aufbau eines Solarmoduls besteht aus mehreren Solarzellen. Die Solarzellen haften auf einem Trägermaterial und sind auf der Vorderseite sowie auf der Rückseite durch eine Schicht vor Feuchtigkeit geschützt. Hier kommen zum Beispiel wetterfeste Kunststofffolien zum Einsatz, bei denen die obere Schicht eine gute Lichtdurchlässigkeit aufweisen sollte. Die Vorderseite der Solarzelle (die Fläche, die zur Sonne zeigt) ist durch eine Glasscheibe vor Witterungsverhältnissen geschützt. Ein Solarmodul ist in einen stabilen Rahmen (aus Aluminium oder Edelstahl) gefasst und an der Glasscheibe abgedichtet. Dieser Rahmen dient dem sicheren Halt und erleichtert den Transport und die Montage der Solaranlage.
Modelle von Solarmodulen
Je nach Modell unterscheidet sich der Aufbau der Zellen. Man unterscheidet zwischen polykristallinen Modulen, monokristallinen Modulen und Dünnschichtmodulen.
Für polykristalline Solarmodule wird der Rohstoff Silizium geschmolzen, in Blöcke gegossen und Scheiben zersägt. Beim Abkühlen entstehen viele verschiedenartige Siliziumkristalle. Die unterschiedliche Anordnung der Kristalle sorgt dafür, dass an deren Grenzen Defekte auftreten, die den Wirkungsgrad des Solarmoduls reduzieren. Der Anteil an Silizium in einem polykristallinen Solarmodul ist generell kleiner, weshalb der Wirkungsgrad geringer ausfällt als bei monokristallinen Modulen. Polykristalline Solarmodule sind dafür in der Herstellung einfacher und günstiger.
Monokristalline Solarmodule entstehen ebenfalls, indem Silizium geschmolzen wird, aus dem dann einkristalline Stäbe (Einkristalle) gezogen werden. Die Einkristalle werden zu sogenannten Wafern (kreisrunde oder quadratische Scheiben von einem Millimeter Dicke) zersägt. Bei monokristallinen Modulen fallen die Kristallgrenzen und somit mögliche Defekte weg, sodass sie deutlich höhere Wirkungsgrade aufweisen. Monokristalline Solarmodule sind jedoch in der Herstellung teurer.
Um Dünnschichtmodule zu produzieren, wird ein Trägermaterial mit einer dünnen Schicht aus amorphem oder kristallinem Silizium bedampft. Dabei nutzt man viel weniger Silizium als bei mono- und polykristallinen Solarmodulen, weshalb die Fertigung von Dünnschichtmodule günstiger ausfällt. Aus diesem Grund wächst der Marktanteil von Dünnschichtmodulen stetig. Der Vorteil von Dünnschichtmodulen ist, dass sie auch bei schwachem Licht gute und konstante Solarstromerträge erzielen.
Funktionsweise eines Solarmoduls
In einem Solarmodul bzw. in den Solarzellen, aus denen ein Solarmodul besteht, wird die Energie der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Die Solarzelle besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Eine Eigenschaft von Halbleitern ist die hohe Leitfähigkeit bei Energiezufuhr. Die elektromagnetischen Strahlen der Sonne wiederum bestehen aus Photonen. Treffen die Photonen auf das Silizium in der Solarzelle, übertragen diese ihre Energie auf lose Elektronen und stoßen sie so von dem Silizium ab. Es kommt also zu einer Bewegung in der Zelle, durch die in der angeschlossenen Leitung Strom entsteht.
Ertrag eines Solarmoduls
Der Ertrag eines Solarmoduls ist abhängig von den Wetterbedingungen. Eine optimal ausgerichtete Solaranlage ohne Verschattung mit einer Nennleistung von 100 W würde an einem Tag mit sieben sonnigen Stunden 0,7 kWh erreichen (100 W x 7 h = 700 Wh = 0,7 kWh). Für den Ertrag der Solarzellen spielen Dachausrichtung (gen Süden) und Dachneigung eine große Rolle. Es dürfen an den Zellen keine Verschattungen durch Schornsteine, Bäume, Schmutz, Schnee o.ä. vorliegen.
Kosten von Solarmodulen
Solarmodule sind in den letzten Jahren immer preiswerter geworden. Ursache für die stark fallenden Preise von Solaranlagen ist unter anderem der hohe Wettbewerb auf dem Markt. Je mehr Solarmodule produziert werden, umso preiswerter wird die Produktion für jedes einzelne Modul. Anfang 2019 lagen die durchschnittlichen Preise je nach Qualität des gewählten Moduls zwischen 45 Cent und 90 Cent.
Qualität von Solarmodulen
Wirkungsgrad und Lebensdauer von Solarmodulen haben sich in den letzten Jahren stetig verbessert. Hersteller von Photovoltaikanlagen geben heutzutage bis zu 25 Jahre Garantie auf die Solarzellen.
Verschaltung von Solarmodulen
Solarmodule lassen sich als Serienschaltung (oder auch Reihenschaltung) sowie als Parallelschaltung miteinander verschalten. Bei einer Serienschaltung handelt es sich um einen einzigen Stromkreis, in dem die elektrischen Verbraucher hintereinander geschaltet und an den Wechselrichter angeschlossen sind. In dieser Reihe bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung der Reihe. Wenn es zu einer Verschattung der Solarzellen kommt, hat das Auswirkungen auf die ganze Reihe und die Leistung der Reihe fällt aufgrund dieses verschatteten Moduls ab. Im Gegensatz zur Serienschaltung entstehen bei einer Parallelschaltung mehrere Stromkreise: Hier sind mehrere Modul-Gruppen formiert, die gleichzeitig parallel geschaltet und an den Wechselrichter angeschlossen sind. Die verschiedenen Modulgruppen beeinflussen sich nicht gegenseitig, sodass Verschattungen der Solarzellen am Ende nicht groß ins Gewicht fallen.
Wirkungsgrad eines Solarmoduls
Je nach Modell eines Solarmoduls weist dieses unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen wird durch neue Entwicklungen und technischen Fortschritt immer besser – aktuell liegt er zwischen 12 und 16 Prozent. Monokristalline Solarzellen verfügen über einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen ist deutlich niedriger als bei monokristallinen und polykristallinen Modulen und bewegt sich zwischen sechs und zehn Prozent.
