Wie funktionieren Photovoltaikmodule?

Aus was Photovoltaikmodule bestehen und was diese können

Photovoltaikmodule auf dem Dach gehören zum Ortsbild. Und es werden immer mehr, denn Photovoltaik ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende.

Inhalt des Blogartikels

• Solarzellen sind die wichtigsten Komponenten eines Photovoltaikmoduls
• Wie ist ein Photovoltaikmodul aufgebaut?
• Welche Arten von Solarzellen beziehungsweise Photovoltaikmodulen gibt es?
• Photovoltaikmodul-Varianten
• Qualität und Kosten von Photovoltaikmodulen
• Tipps für den Kauf deiner PV-Module

Solarzellen sind die wichtigsten Komponenten eines Photovoltaikmoduls

Die kleinste Einheit einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) ist die Solarzelle. In ihr wird die Lichtenergie der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Die Zellen sind miteinander verschaltet und bilden so ein Photovoltaikmodul. Wie Solarzellen beziehungsweise Solarmodule genau aufgebaut sind, welche Typen es bei jenen Zellen gibt und was Photovoltaikmodule kosten, erfährst du in diesem Artikel.

Wie ist ein Photovoltaikmodul aufgebaut?

Je nach Größe des Moduls sind unterschiedlich viele Solarzellen zusammengeschaltet: 36 bis 120 (Halbzellen) Solarzellen. Im Bereich Ein- und Zweifamilienhäuser kommen bevorzugt PV-Module mit 60 Silizium-Solarzellen zum Einsatz. Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Photovoltaikmodulen, die zu sogenannten Strings verschaltet sind. Mehrere Strings bilden gemeinsam den kompletten Solargenerator beziehungsweise die Photovoltaikanlage.

Zum Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen weist die Vorderseite des Solarmoduls – also die Fläche, die zur Sonne zeigt – eine Glasscheibe auf. Dieses spezielle Solarglas absorbiert nur wenig Licht und verfügt zudem über eine Antireflexschicht zur Entspiegelung, um auch Reflexionen des einfallenden Lichts auf ein Minimum zu reduzieren. Die Antireflexbeschichtung steigert somit ebenfalls den Photovoltaik-Ertrag. Eine Kunststoffschicht auf der Vorderseite und Rückseite schützt die Solarzellen vor Feuchtigkeit. Hierfür kommen in etwa wetterfeste Kunststofffolien zum Einsatz wie Ethylenvinylacetat (EVA), bei denen die obere Schicht gut lichtdurchlässig ist.

Ein Photovoltaikmodul befindet sich regulär in einem stabilen Rahmen (meist aus Aluminium oder Edelstahl) und ist an der Glasscheibe abgedichtet. Dieser Rahmen gibt dem Solarmodul zusätzlich Stabilität. Zum anderen erleichtert er den Transport sowie die Montage des Moduls.

Der grundsätzliche Aufbau eines Solarmoduls im Überblick:

• Aluminiumrahmen
• Frontglas
• erste Kunststoffschicht (transparent)
• Solarzellen
• zweite Kunststoffschicht
• Kunststofffolie oder Glasplatte
• Kabelbox mit der Verkabelung

Welche Arten von Solarzellen beziehungsweise Photovoltaikmodulen gibt es?

Abhängig davon, welches Material bei den Solarmodulen zum Einsatz kommt, unterscheidet man zwischen polykristallinen, monokristallinen oder Dünnschichtmodulen. Kristalline Photovoltaikmodule bestehen ausschließlich aus dem Halbleitermaterial Silizium. Hingegen setzen sich Dünnschichtmodule aus verschiedenen Materialien zusammen.

Polykristalline Photovoltaikmodule

Wie Branchenkenner berichten, kamen 2018 bei großen Herstellern die einst so beliebten polykristallinen Solarmodule noch auf einen Marktanteil von über 50 Prozent. 2021 bietet der Großteil der Modulhersteller nahezu ausschließlich monokristalline Photovoltaikmodule an. Auch im Bereich der privaten Ein- und Zweifamilienhäuser entscheiden sich die Besitzer bevorzugt für monokristalline PV-Module.

Polykristalline Photovoltaikmodule entstehen, indem der Rohstoff Silizium geschmolzen, in Blöcke gegossen und im Anschluss in Scheiben zersägt wird. Während das Material abkühlt, entstehen viele unterschiedlich große Siliziumkristalle. Diese verschiedenartige Anordnung der Kristalle sorgt dafür, dass an deren Grenzen Defekte (oder auch Verunreinigungen) auftreten, die zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führen. Generell ist der Anteil an Silizium in einem polykristallinen Solarmodul kleiner, weshalb der Wirkungsgrad geringer ausfällt als bei monokristallinen Modulen. Durch technischen Fortschritt wurde deren Wirkungsgrad jedoch immer besser – aktuell liegt er zwischen 10 und 18 Prozent.

Der Vorteil von polykristallinen Modulen ist, dass sie in der Herstellung einfacher und günstiger sind. So fiel auch der Preis pro kWp (Kilowatt Peak) besonders niedrig aus. Wer vor allem über genug Dachfläche für die Photovoltaik verfügte, entschied sich für polykristalline Photovoltaikmodule.

Monokristalline Photovoltaikmodule

Monokristalline Solarmodule sind mit Wirkungsgraden von 14 bis 22 Prozent wesentlich effizienter als polykristalline Module. Auch preislich haben sie sich angenähert. Für die Herstellung von monokristallinen Modulen wird ebenfalls Silizium geschmolzen, aus dem die Produktionsbetriebe dann einkristalline Stäbe ziehen. Diese Stäbe nennt man auch Einkristalle. Die Einkristalle werden zu sogenannten Wafern zersägt – also kreisrunde oder auch quadratische Scheiben, die etwa 1 Millimeter dick sind.

Bei monokristallinen Modulen fallen die Kristallgrenzen (und somit mögliche Defekte) weg, sodass sie deutlich höhere Wirkungsgrade aufweisen. Dass monokristalline Module in der Herstellung etwas teurer sind, ist kein Thema mehr. Der optische Vorteil von monokristallinen Modulen: Sie sind dunkelblau bis schwarz eingefärbt und wirken deshalb glatt und eben.

Exkurs: Quasi-monokristalline Photovoltaikmodule

Es gibt sogenannte quasi-monokristalline Photovoltaikmodule. Dabei verwendet man auch polykristallines Silizium. Dieses wird allerdings so ausgerichtet, dass die Kristallgitter der Siliziumkristalle die gleiche Orientierung haben. So besitzen quasi-monokristalline Photovoltaikmodule fast identische Eigenschaften wie monokristalline Solarmodule; die Produktion fällt jedoch günstiger aus.

Dünnschichtmodule

Um Dünnschichtmodule herzustellen, bedampft man ein Trägermaterial mit einer dünnen Schicht aus amorphem oder kristallinem Silizium (alternativ auch zum Beispiel mit Cadmium-Tellurid/CdTe, Gallium-Arsenid/GaAs oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid/CIGS). Im Vergleich zu mono- und polykristallinen Solarmodulen ist dabei viel weniger Silizium notwendig, weshalb die Fertigung von Dünnschichtmodulen günstiger und deren Endpreis niedriger ist.

Der Vorteil von Dünnschichtmodulen ist, dass deren Erträge an Solarstrom sogar bei schwachem Licht noch gut und konstant sind und Verschattungen bei ihnen weniger ins Gewicht fallen.

Der Wirkungsgrad von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen ist jedoch deutlich niedriger als bei monokristallinen und polykristallinen Modulen. Er liegt in einem Bereich zwischen 6 bis 14 Prozent.

Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen:

• monokristalline Solarzelle: 14 bis 22 Prozent
• polykristalline Solarzelle: 10 bis 18 Prozent
• amorphe Dünnschicht-Solarzelle: 10 bis 14 Prozent
• organische Dünnschicht-Solarzelle: etwa 10 Prozent

Hinweis: Die hier genannten Wirkungsgrade der Solarzellen entstanden unter Laborbedingungen. In der Praxis liegen daher die Wirkungsgrade der in den Modulen verbauten Solarzellen etwas darunter. Der Wirkungsgrad eines Moduls ist immer geringer als der einer einzelnen Solarzelle.

Photovoltaikmodul-Varianten

Neben den „klassischen“ Modulen für die Photovoltaik bietet der Markt weitere Varianten. Auch Forschung und Entwicklung sind weiterhin auf der Suche nach Verbesserungen in Bezug auf den Wirkungsgrad, das Preis-Leistungs-Verhältnis, die Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit.

• Aktuell sind Halbzellenmodule auf dem Vormarsch. Obwohl die Solarzellen aus den gleichen Materialien bestehen wie die genannten kristallinen Solarzellen, erreichen sie 2 bis 3 Prozent höhere Solarerträge. Statt 60 Zellen werden im Modul 120 Halbzellen verschaltet.
• Glas-Glas-Module sind eine weitere Variante. Hier befindet sich auf der Rückseite wie auf der Vorderseite eine durchsichtige Glasplatte. Die Module sind sehr stabil, aber auch entsprechend schwer. Dafür sind sie langlebiger als Glas-Folien-Module.
• Solardachziegel sind quasi jeweils kleine Solarmodule, die der Fachbetrieb statt üblicher Dachziegel auf dem Dach anbringt. Sie sind optisch sehr ansprechend. Allerdings ist aufgrund der benötigten Anzahl die Verschaltung sehr aufwendig. Zudem erreichen sie in Summe nur etwa zwei Drittel der Wirkungsgrade konventioneller Photovoltaikanlagen. Zudem sind sie sehr teuer.
• Transparente PV-Module kommen bevorzugt als Verschattungselemente, beispielsweise als Terrassenüberdachung, auf einem Carport oder als Sonnenschutzsystem zum Einsatz. Je nach Transparenz liegt der Wirkungsgrad spürbar unter dem eines normalen Moduls.

Qualität und Kosten von Photovoltaikmodulen

Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Photovoltaikmodulen haben sich über die Jahre kontinuierlich verbessert – entsprechend stieg auch die Qualität der Module. Für ein qualitativ hochwertiges Solarmodul aus chinesischer Produktion mit 300 Watt Leistung zahlst du 2021 etwa 80 bis 120 Euro. Ein deutsches Qualitäts-Photovoltaikmodul gleicher Leistung kostet dich circa 100 bis 200 Euro. Aber dies sind natürlich nur Näherungswerte.

Tipps für den Kauf deiner PV-Module

Damit du dich für die richtigen Solarmodule auf deinem Dach entscheidest, haben wir dir hier ein paar Tipps zusammengefasst:

• Unterschied zwischen Hersteller- und Leistungsgarantie: Die Leistungsgarantie besagt, welche Leistung die Photovoltaikmodule nach 10, 20 oder mehr Jahren noch bringen müssen. Mit der Produkt- oder Herstellergarantie hast du die Garantie, dass das Modul beispielsweise 12 Jahre ohne Ausfälle seine volle Leistung erbringt. Beide Garantien sind freiwillig und haben nichts mit der gesetzlichen Gewährleistung von 2 Jahren zu tun.
• Lebensdauer von Modulen: Ein Photovoltaikmodul kann nach 20 Jahren um die 20 Prozent an Leistung verlieren. Allerdings produzieren manche Solarmodule auch nach 40 Jahren noch ausreichend Strom.
• Montage der Module am Dach, auf dem Dach oder an der Fassade: Dafür gibt es jeweils passende Montageschienen, Dachhaken und Untergestelle aus Aluminium oder Stahl. Auch eine Indachmontage ist möglich.
• Gewicht: Kristalline Module wiegen etwa 17 bis 20 Kilogramm. Mit 60 Solarzellen bestückte Glas-Glas-Module kommen auf 20 Kilogramm und mehr. Dünnschichtmodule bringen nur um die 8 bis 16 Kilogramm auf die Waage.