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Technik der Solarmodule
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Technik der Solarmodule
In Deutschland und auf dem internationalen Markt bieten inzwischen weit mehr als 100 Hersteller über 1500 unterschiedliche Photovoltaikmodule an. Neben der Gemeinsamkeit, dass sie alle bei Lichteinfall Strom erzeugen, gibt es auch Unterschiede, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
Zelltypen: monokristallin, polykristallin, Dünnschicht
Aktuell am Markt verfügbar sind kaum ein Dutzend unterschiedlicher Zellenmaterialien. Die größte praktische Bedeutung konnten bisher kristalline Siliziumsolarzellen erlangen.
Es werden nach ihren Ausgangsmaterialien drei Gruppen von Zellen unterschieden:
- monokristalline Siliziumzellen
- polykristalline Siliziumzellen
- Dünnschichtzellen: amorphe Siliziumzellen (a-Si) und andere Materialien wie z.B. Kupfer-
Indium-Diselenid (CIS), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Gallium-Arsenid (GaAs)
Für die Anwendung in PV-Anlagen vom 1-kWp-Kraftzwerg bis zum Megawatt-Kraftwerk auf Freiflächen kommen heute fast ausschließlich Module aus mono- und polykristallinem Silizium zum Einsatz. Der weltweite Marktanteil (mono- und poly-)kristalliner Siliziumzellen beträgt derzeit ca. 90%. Derzeit ist zu beobachten, dass Freiflächenanlagen aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen mit Dünnschicht-Solarmodulen gebaut werden. Ob sich dadurch in näherer Zukunft ein höherer Marktanteil ergibt, ist offen, denn auch die kristallinen Technologien werden weiterhin stark nachgefragt.
Dünnschichtzellen hatten 2007 weltweit einen Marktanteil von etwa 10,4%. Davon stallten amorphe Siliziumzellen den Hauptanteil mit 5,2%, dicht gefolgt von Cadmium-Tellurid (CdTe) mit 4,7% Marktanteil sowie Dünnschichtmaterialien wie Kupfer-Inium-(Di)Selenid (CIS) mit lediglich 0,5%.
Während der Marktanteil des polykristallinen Siliziums steigt, gibt es in der Gesamtbetrachtung jedoch keine eindeutigen Vorteile im Vergleich von mono- und polykristalliner Technologie: Monokristalline Zellen liegen zwar im Wirkungsgrad in der Regel um 1,5 bis 2 Prozentpunkte über dem von polykristallinen Zellen, Letztere bringen jedoch leichte Kostenvorteile in der Herstellung.
Zusammen mit den amorphen Siliziumzellen bestehen somit weltweit etwa 95% aller gefertigten Solarzellen aus Silizium.
Reihenfolge nach Wirkungsgrad
1. monokristallines Silizium
2. polykristallines Silizium
3. Dünnschichtzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)
4. Dünnschichtzellen aus Cadmium-Tellurid (CdTe)
5. amorphes Silizium (a-Si) uns amorphes und mikrokristallines Silizium (a-Si/µc-Si)
Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Solarmodule mit a-Si werden heute Solarmodule gefertigt, die mehrere aktive Schichten (a-Si/a-Si oder a-Si/µc-Si) übereinander aufweisen.
Monokristallines Silizium
Aus einer Schmelze aus hochreinem Silizium werden sogenannte Einkristalle gezüchtet. Dabei entstehen im Querschnitt runde Siliziumblöcke, die in 0,2 bis 0,3 mm (200 bis 300 µm) dicke Scheiben 8Wafer gesägt werden. Diese silbrig glänzenden Scheiben bilden die Basis der monokristallinen Solarzelle. Durch die runde Form der Zellen ergäbe sich – nebeneinander im Modul angeordnet – nutzloser Zwischenraum. Um also mehr Zellen im Modul integrieren zu können, werden die zunächst runden Zellen mit erheblichem Abfall zu mehr oder weniger quadratischen Flächen beschnitten. Weitere chemische Vorgänge wie das Dotieren der Ober- und Unterseite der Zellen und das Aufbringen der Antireflexschicht sowie der front- und rückseitigen Kontakte schließen den Prozess ab.
Seriengefertigte monokristalline Zellen haben Wirkungsgrade zwischen 13% und 17%. Zwar sind sie in der Herstellung energie- und zeitaufwändiger als polykristalline Zellen, verfügen jedoch über den derzeit höchsten Wirkungsgrad unter allen Zelltypen. Üblich sind 6’’-Zellen (1 entspricht 25,4 mm) mit 152 mm Kantenlänge. Neu am Markt sind 8’’-Zellen (210 mm).
Polykristallines Silizium
Zur Herstellung von polykristallinem Silizium wird am häufigsten das Blockgießverfahren angewandt. Hierbei wird Rohsilizium sehr stark erhitzt und kontrolliert in einer Gussform abgekühlt. Beim Erstarren der Schmelze richten sich die Kristalle nur unregelmäßig aus. Die Oberfläche eines Wafers zeigt deshalb die schillernde Struktur eines Mehrkristalls. Die im Querschnitt quadratischen Siliziumblöcke werden ebenfalls in 0,2 bis 0,3 mm dicke Scheiben gesägt. Die übliche blaue Erscheinung resultiert aus der verwendeten Anti-Reflex-Schicht. Diese lässt sich in Dicke und damit Farbe variieren. Blau hat jedoch die besten optischen Eigenschaften: chemische Vorgänge und das Aufbringen von Kontakten schließen den Herstellungsprozess ab. Seriengefertigte polykristalline Zellen haben Modulwirkungsgrade zwischen 11% und 15%. Üblich sind ebenfalls 6 oder 8’’-Zellen mit 152 bzw. 210 mm Kantenlänge.
Dünnschichtzellen
Dünnschichtzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe) stellen trotz ihres geringeren Wirkungsgrades und damit höheren Flächenbedarfs eine Materialalternative dar. Weitere Vorteile liegen in einer höheren Verschattungstoleranz und einem im Vergleich zu kristallinen Siliziumzellen geringeren Leistungsabfall bei erhöhten Temperaturen. Zudem sind sie in der Herstellung günstiger.
Amorphe Siliziumsolarzellen
Zellen aus amorphem, d.h. aus unstrukturiertem, nicht in kristalliner Form vorliegendem α-Silizium werden heute schon vielfach zum Betrieb von Taschenrechnern und Armbanduhren eingesetzt. Der Wirkungsgrad dieser Solarzellen liegt bei etwa 6 bis 8%. Das aktive Halbleitermaterial ist hier im Gegensatz zu den kristallinen Zellen mit 0,5 bis 2 µm erheblich dünner. Es wird damit wesentlich weniger Ausgangsmaterial als bei kristallinen Siliziumzellen benötigt. Im Produktionsprozess wird das Silizium auf ein Trägermaterial, z.B. Glas, aufgedampft. Weitere chemische Vorhänge und das Aufbringen von Kontakten schließen auch hier die Herstellung ab.
Mikrokristalline und mikromorphe Siliziumzellen
Mikrokristalline und mikromorphe Siliziumzellen gleichen den großen Nachteil von amorphen Siliziumzellen aus – deren geringen Wirkungsgrad. Mikrokristallines Silizium ist eine Mischphase aus sehr kleinen Siliziumkristallen und amorphem Silizium. Mikrokristalline Zellen besitzen ähnliche optische Eigenschaften wie Wafer-Solarzellen und erreichen stabile Wirkungsgrade von bis zu 8,5%. Um noch höhere Wirkungsgrade zu rttrichen, kann man mikrokristalline Zellen mit amorphen in sogenannten Tandemzellen (a-Si/µ-Si) oder Triple-Zellen (a-Si/a-Si/µc-Si) kombinieren. Bisher haben Tandem- oder Triple-Zellen Wirkungsgrade bis 12% erreicht. Das Potential derartiger Stapelzellen liegt bei 20%.
Kupfer-Indium-Diselenid-Zellen (CIS)
CIS-Zellen nutzen dünne Schichten aus Kupfer, Indium und Selen anstatt Silizium, um das Licht in Strom zu wandeln. Bei CIGS-Zellen kommt teilweise anstelle des Indium noch etwas Gallium dazu. CIS- und CIGS-Zellen absorbieren nahezu 99% des einfallenden Lichtes und sind deshalb tiefschwarz. Das hohe Wirkungsgradpotenzial macht die CIS-Technologie interessant. In der Zelle erreichen Firmen schon Wirkungsgrade von 20%, Module werden heute schon mit 11% Wirkungsgrad verkauft. Um sie herzustellen, werden die Materialien in Vakuumkammern bei Temperaturen um die 500°C auf Gläser aufgebracht.
Cadmium-Tellurid-Zellen (CdTe)
CdTe-Module bieten, weil sie in einem recht einfachen Produktionsprozess herzustellen sind, das größte Potenzial für Kostensenkungen. Sie werden wie CIS-Zellen im Vakuumverfahren hergestellt. Das Element Cadmium ist zwar giftig und sollte nicht in die Umwelt gelangen. Im Normalbetrieb geschieht dies nicht, weil das Cadmium im Cadmium-Tellurid chemisch sehr fest gebunden ist. Die Module müssen auf jeden Fall recycelt werden.
Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle
Entstehung und Herstellung der Zelle
Mono- und polykristalline Solarzellen werden überwiegend aus hochreinem kristallinem Silizium hergestellt, wie es auch in der Elektronik für Halbleiterbauelemente verwendet wird. Ausgangsmaterial ist Quarzsand (Silizium-Dioxid, SiO2), der in großen Mengen verfügbar ist. Das daraus gewonnene Rohsilizium muss zur weiteren Verarbeitung allerdings in chemisch reiner Form vorliegen.
Durch gezieltes Einbringen (Dotieren) von Fremdatomen – meist Bor und Phosphor – werden in der Zelle zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (positiv »p« und negativ »n«) erzeugt. An der Grenzschicht zwischen diesen Schichten (p-n-Übergang) bildet sich ein elektrisches Feld – die sogenannte Raumladungszone.
Trifft Licht auf die Zelle, werden die elektrischen Ladungen in der Raumladungszone getrennt. An den elektrischen Anschlüssen entsteht dadurch eine von der Bestrahlungsstärke weitgehend unabhängige Gleichspannung von ca. 0,5V.
Spitzenleistung
Der Strom und damit die elektrische Leistung einer Solarzelle hängt direkt von der Bestrahlungsstärke ab. Daher liefern Solarzellen die meiste Energie bei wolkenlosem Himmel und maximalem Sonnenschein. Bei diffusem Licht erzeugt die Solarzelle entsprechend der Einstrahlung eine geringere Leistung. Die Spitzenleistung einer Solarzelle ist für eine Einstrahlungsleistung von 1000W/m² bei einer Zellentemperatur von 25°C definiert. Sie wird als »Peak-Leistung« (engl.: peak = Spitze) bezeichnet und in »Wp« (Watt Peak) angegeben.
Eine einzelne Zelle mit einer Fläche von 10 cm x 10 cm = 100cm² und einem Wirkungsgrad von 15% liefert unter diesen Bedingungen eine Leistung von 1,5W. Die Leistung ist direkt proportional zur Zellengröße. Doppelt so große Zellen liefern bei gleichem Wirkungsgrad also die doppelte Leistung.
Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung
Eine Zelle wird durch ihre Kenngrößen wie Strom und Spannung charakterisiert. Die Stromstärke einer Zelle ist von der Bestrahlungsstärke und der Zellengröße abhängig. Die Spannung einer Solarzelle variiert bei unterschiedlicher Bestrahlung kaum. Sie ist stoffspezifisch und betrögt für Silizium ca. 0,5 bis 0,6 V. Eine Erhöhung der Spannung lässt sich also nur durch die Reihenschaltung mehrerer Solarzellen erzielen.
Man unterscheidet den Kurzschlussstrom ISC (engl. Short circuit), die Leerlaufspannung UOC (engl. Open circuit), und den Punkt maximaler Leistungsabgabe MPP (engl.: Maximum Power Point) mit den Kenngrößen UMPP und IMPP.
Diese Parameter werden unter den sogenannten Standard-Testbedingungen STC (engl.: Standard Test Conditions) ermittelt, d.h. bei einer Bestrahlungsstärke von 1000W/m², einer Zellentemperatur von 25°C und einem bestimmten, für Mitteleuropa typischen Lichtspektrum, dem Air Mass Faktor (AM) von 1,5.
Temperatur kontra Leistung
Die Erwärmung einer Solarzelle führt direkt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades. Dünnschichtzellen sind diesbezüglich weniger empfindlich als kristalline Solarzellen. Bei steigenden Temperaturen vermindert sich die Leistung einer kristallinen Zelle um etwa 0,5% pro Grad Celsius. Das bedeutet z.B. für eine um 30°C höhere Temperatur 15% weniger Leistung. Jegliche unnötige Erwärmung ist also zu vermeiden, Kühlung durch Wind und ein Standort an exponierter Stelle sind sinnvoll. Übliche Modultemperaturen liegen im Sommer zwischen 40 und 70°C. Die Ertragseinbußen schlecht hinterlüfteter Module liegen um 4 bis 6% höher als mit guter Hinterlüftung.
Ein Blick in die Zukunft
Die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage hängt nur unwesentlich von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Zellen ab. Solarzellen oder –module mit höheren Wirkungsgraden haben für die gleiche Leistung einen geringeren Flächenbedarf als solche mit geringen Wirkungsgraden. Der wirtschaftliche Betrieb einer Photovoltaikanlage ist aber auch mit geringem Wirkungsgrad (aber höherem Flächenbedarf) möglich.
Der Wirkungsgrad, d.h. der Anteil der in Strom umgewandelten Sonnenenergie, liegt bei den derzeit industriell hergestellten Solarzellen zwischen 5% und 19%. Zellen mit höherem Wirkungsgrad befinden sich in der Entwicklung. So konnte im Forschungslabor durch Maßnahmen wie z.B. die Strukturierung der Zellenoberfläche (Minimierung der Reflexion) und das Eingraben der Frontkontakte zur Verminderung der Abschattung bei kristallinen Zellen bereits ein Wirkungsgrad von 24% erzielt werden.
Hochleistungszellen auf der Basis von Galliumarsenid und Galliumantimonid, die in mehreren Schichten übereinander liegend sogenannte Stapel-Solarzellen bilden, erreichen heute bereits 31% Wirkungsgrad. Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades wird die Entwicklung preisgünstiger Fertigungsmethoden intensiv erforscht.
Die Erfolg versprechendsten Materialien für kostengünstige Herstellungsverfahren sind derzeit Kupfer-Indium-Diselenid (CIS-Zelle) und Cadmium-Tellurid (CdTe), die bereits den Sprung zur Massenfertigung vollzogen haben.
Organische Solarzellen wie nanokristalline Farbstoffzellen auf der Basis von Titandioxid nutzen – ähnlich wie die Blätter von Pflanzen – elektrochemische Prozesse zur Stromerzeugung. Welche der Dünnschichttechnologien einmal nennenswerte Marktanteile erobern wird, lässt sich heute noch nicht vorhersagen.
Das Modul
Ein Photovoltaikmodul besteht aus mehreren miteinander verschalteten Solarzellen, einem Witterungsschutz in Form von Glasscheibe und Laminat, einem Überspannungsschutz in Form einer oder mehrerer Bypassdioden und einer elektrischen Anschlussmöglichkeit. Die Meisten Module verfügen darüber hinaus über einen Rahmen, manche auch über eine rückseitige Glasscheibe (Glas-Glas-Module).
Bei der Modulherstellung werden mehrere Solarzellen elektrisch miteinander verbunden, um bereits am Ausgang eines einzelnen Moduls nützliche Spannungen und Stromstärken zu erreichen. Dazu werden Zellen in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen. Oder man schaltet sie parallel, wodurch die Stromstärke steigt.
Jeder Zellen-String wird durch mindestens eine Bypassdiode abgesichert, um bei Beschattung einzelner Zellen Schäden oder Defekte durch übermäßige Erwärmung zu verhindern und die dadurch verursachte Minderleistung für das gesamte Modul und andere mit ihm in Reihe Geschaltete Module zu begrenzen.
Die maximale Anzahl an Zellen wird begrenzt von der Anforderung an das gute »Handling« eines Moduls. Gewicht und äußere Abmessungen müssen eine Montage auf dem Dach auch unter schwierigen Bedingungen und mit wenigen Personen zulassen.
Die Solarzellen werden frontseitig von einer gehärteten Solarglasscheibe und rückseitig von einer zweiten Glasscheibe oder einer Tedlar-Kunststofffolie abgedeckt.
Um mindestens 25 Jahre lang der Witterung und Feuchtigkeit zu widerstehen, werden die Zellen in eine Schicht aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA-Laminat) eingeklebt, das sie luftdicht umschließt. Je nach Anforderung an Montage und Stabilität gibt es Module mit oder ohne Rahmen.
Auf der Modulrückseite oder am Rahmen wird eine Anschlussdose mit Bypassdioden angebracht. Berührungs- und verpolungssichere Steckverbinder machen ein Modul besonders montagefreundlich.
Handelsübliche Solarmodule verfügen derzeit über Leistungen zwischen 80 und 300W.
Hilfen bei der Modulwahl: eine Zusammenfassung
Wer die Wahl hat, hat die Qual. Auf den folgenden Seiten geben wir deshalb ein paar Entscheidungshilfen.
Prinzipiell kann man heute – vorausgesetzt man kauft nicht von Unbekannten das Allerbilligste – nur wenig falsch machen. Der Markt zeichnet sich durch ein hohes Qualitätsniveau aus: »…photovoltaische Stromerzeugung ist robust, fehlertolerant und extrem wartungsarm…«
Zudem bietet die weit fortgeschrittene Zertifizierung eine hohe Sicherheit.
Schauen Sie am Anfang – bei Ihrer ersten Anlage – ruhig mal, was andere einbauen, und hören Sie sich um, wie es funktioniert. Das kostet wenig und bringt oft mehr als das Studium schöner Prospekte.
Achten Sie prinzipiell bei der Wahl des Moduls auf
- die Verarbeitungsqualität – diese lässt sich auch optisch erkennen,
- bestandene Prüfungen, Zertifizierungen – auch unabhängige Warentests sind hilfreich
- den richtigen Hersteller
Die einzelnen Punkte werden im Folgenden ausführlich dargestellt.
Welcher Modulhersteller?
Achten Sie bei der Wahl des Herstellers oder Systemanbieters auf
- Erfahrung
- Referenzen
- professionellen Service mit akzeptablen Geschäftszeiten, telefonischer Erreichbarkeit und
örtlichen Vertretungen
- professionelle Gewährleistungspraxis und Kulanz
- lange Ersatzteilverfügbarkeit
- häufige Umfirmierungen in der Vergangenheit – dann ist eine gewisse Vorsicht angebracht
- Rückversicherung der Garantieleistungen
Besonders dem letzten Punkt wird oft zu wenig Beachtung geschenkt. Er ist besonders bei jungen Firmen sinnvoll, die oft sehr gute und innovative Produkte, aber keine langjährigen Erfahrungen bzw. Referenzen nachweisen können. Garantieleistungen können – um dem Kunden bei einem späteren Konkurs oder bei Umfirmierung des Herstellers seine Garantieansprüche zu bewahren – rückversichert werden. Mit diesem Service können sich besonders kleine innovative Unternehmen von großen abheben.
Bei der Entscheidung für einen Hersteller kommt man kaum daran vorbei, sich das »Kleingedruckte« der Garantiebedingungen durchzulesen und bei fehlenden oder mehrdeutigen Angaben nachzufragen.
Ihr Kunde wird es zu schätzen wissen, wenn Sie ihm das Kleingedruckte der Garantieerklärungen erklären und ihn dahingehend beraten können. Auch deshalb lohnt sich das vorherige Studium der Herstellerunterlagen.
Welcher Zellentyp?
Im Wesentlichen kommen bei Anlagen im Ein- und Mehrfamilienhausbereich heute mono- und polykristalline Module zum Einsatz. Gravierende Vor- und Nachteile zwischen beiden Modultypen gibt es nicht. Nicht selten nimmt man deshalb, was gerade verfügbar ist.
Für monokristalline Module spricht der etwas höhere Wirkungsgrad und damit der geringere Flächenbedarf sowie die für einige Bauherren aus ästhetischen Erwägungen wichtige einfarbig schwarze oder blaue Oberfläche.
Polykristalline Module verfügen zwar über einen etwas geringeren Wirkungsgrad als ihre monokristallinen Schwestern, haben dafür aber einen etwas niedrigeren Preis. Einigen Bauherren gefällt gerade das schillernd-blaue und strukturierte Aussehen der polykristallinen Zellen.
Auch gegen den Einsatz von Modulen mit Dünnschichtzellen spricht außer dem größeren Flächenbedarf nichts. Die Leistungseinbußen durch Verschattung und hohe Temperaturen sind bei Dünnschichtzellen technologiebedingt sogar geringer. Für einige Bauherren zählt auch das einfarbig homogene Erscheinungsbild.
Beim Kauf einer PV-Anlage interessieren sich Kunden zunehmend für die Ästhetik der fertigen Anlage. Nicht jedes Modul passt zur Farbe der Dachziegel oder des Hauses. Beraten Sie Ihren Kunden dahingehend und zeigen Sie ihm ruhig mal die Unterschiede, indem Sie probehalber verschiedene Module auf sein Dach legen.
Welche inneren Werte sind wichtig?
Leistung, Spannung, Stromstärke
Große Nennleistungen sind angenehm, denn Anlagen mit größeren Modulen montieren sich schneller.
Achten Sie vor allem auf möglichst niedrige Leistungstoleranzen. Maximal ± 5% sind heute Standard, auch Toleranzen von ± 3% sind nicht mehr selten. Module mit höheren Abweichungen in Richtung »minus« können verstärktes Mismatch (Ertragseinbußen durch Reihenschaltung eines schlechten Moduls mit mehreren guten), also erheblichen Minderertrag der gesamten Anlage bewirken.
Spannung und Stromstärke der Module müssen zum ausgewählten Wechselrichter passen und dürfen keine Probleme mit der Reihenschaltung einer bestimmten Anzahl von Modulen ergeben.
Gut sind hohe maximal zulässige Systemspannungen Umax eines Moduls. Je höher die Spannung, desto geringer die Leistungsverluste. Heute liegt die maximale Systemspannung in der Regel bei 1000 Volt.
Temperaturverträglichkeit, Hagel und Gewicht
Ein niedriger Temperaturkoeffizient (Maß für den Leistungsabfall durch steigende Temperaturen) ist besonders wichtig bei indachmontierten oder anderen schlecht hinterlüfteten Modulen.
Die Sturm- und Hagelfestigkeit ist wichtig (Test nach EN 61730). Machen Sie hier keine Abstriche.
Wenn Sie die Anlage allein montieren müssen oder auf dem Dach wenig Platz ist, ist ein nicht zu großes Modulgewicht wichtig.
(Quelle: Photovoltaik für Profis: SolarpraxisAG)
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