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Photovoltaik Module: Typen und Trends im Solarmarkt

Photovoltaik Module

Solarstrommodule – auch Photovoltaik Module oder PV-Module genannt – sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie wandeln Sonnenstrahlung in elektrischen Strom um. Die Technologie hat eine lange Tradition. In den 1950er Jahren wurden Photovoltaik Module erstmals in der Raumfahrt eingesetzt, um Raumstationen im Weltall mit Strom zu versorgen. Mit dem 100.000-Dächer-Programm begann 1999 die Erfolgsgeschichte der Photovoltaik, mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das im Jahr 2000 in Kraft trat, nahm sie ihren Lauf. Neben der Windenergie ist die von der Photovoltaik-Anlage aufgefangene Sonnenenergie heute die wichtigste Säule der Energiewende in Deutschland.

Verschiedene Solarmodule zur Wahl

Je nach Größe des Solargenerators – wie eine Photovoltaikanlage auch genannt wird – werden entsprechend viele Solarmodule zusammengeschaltet. Dabei werden verschiedene Modultechnologien unterschieden.

PV-AnlagenPhotovoltaik Module aus kristallinen und Dünnschicht-Zellen

Die handelsüblichen Modularten sind kristalline und Dünnschicht-Module, wobei die kristallinen Module mit Abstand den größten Marktanteil haben. Marktforscher schätzen ihn auf über 90 Prozent. Sie kommen bei Ein- und Mehrfamilienhäusern bevorzugt zum Einsatz, denn wegen ihrer hohen Energiedichte benötigen kristalline Solarmodule für dieselbe Leistung weniger Fläche.
Die Technologien – kristallin und Dünnschicht – gehen auf das Basismaterial zurück, aus dem die Solarzellen gefertigt sind. Denn Photovoltaik Module bestehen aus vielen einzelnen Solarzellen. Kristalline Zellen werden aus Silizium hergestellt. Dies ist das zweithäufigste Element nach Sauerstoff. Diese Zellen und so auch die Module werden nochmals in mono- und polykristalline Zellen beziehungsweise mono- und polykristalline PV-Module unterschieden. Bei dieser Unterteilung ist das Verfahren zur Herstellung der Solarzellen das entscheidende Kriterium.

Monokristalline Module: höherer Wirkungsgrad

Um monokristalline Zellen herzustellen, werden Siliziumstäbe mit einer sehr regelmäßigen Kristallstruktur (Einkristalle) zersägt. Deshalb tragen sie den Begriff „mono“ im Namen. Monokristalline Zellen sind an ihrer homogenen dunklen Oberfläche zu erkennen, häufig sehen sie anthrazitfarben oder fast schwarz aus. Da sie eine einheitliche Kristallorientierung haben, entstehen an den Grenzen der Kristalle (Korngrenzen) weniger Verluste, so dass der Wirkungsgrad monokristalliner Zellen höher ist als der polykristalliner Zellen. Allerdings ist das Produktionsverfahren aufwändig und der Energieaufwand ist hoch. Deshalb sind monokristalline Photovoltaik Module teurer als polykristalline.

Polykristalline Module dominieren den Markt

Auch polykristalline Zellen bestehen aus dem Basismaterial Silizium. Allerdings ist das Herstellungsverfahren dieser Solarzellen, die auch als multikristallin bezeichnet werden, ein gänzlich anderes. Das Silizium wird zunächst geschmolzen, dann wird es mit Bor-Atomen „verschmutzt“ (dotiert) und anschließend in große Blöcke gegossen. Das Silizium erstarrt nun zu so genannten Ingots (engl. für Gussblöcke). Diese werden in Scheiben (Wafer) gesägt und anschließend mit einer Antireflexionsschicht versehen. Bei diesem Produktionsverfahren richten sich die Kristalle unterschiedlich aus. Dadurch entstehen an den Korngrenzen Verluste. Daher ist der Wirkungsgrad von poly- oder multikristallinen Zellen geringfügig niedriger als der von monokristallinen Zellen. Dies gilt entsprechend für die Photovoltaik Module. Der Vorteil ist jedoch, dass bei polykristallinen Zellen auch leicht verschmutztes Silizium verwendet werden kann. Darüber hinaus ist das Fertigungsverfahren kostengünstiger und es wird weniger Energie benötigt. Aus diesen Gründen sind polykristalline Module preiswerter als monokristalline, weswegen sie sich im Markt durchgesetzt haben. Sie sind an ihrer blau-schillernden Optik zu erkennen; beim genaueren Hinsehen lässt die Struktur an Eiskristalle denken.

Dünnschichtmodule: Produkt der Boom-Zeit der Photovoltaik

Zellularer Ansatz in der EnergiewendeDurch die hohe Einspeisevergütung für PV-Strom bei gleichzeitig fallenden Modulpreisen stieg die Nachfrage nach Photovoltaikanlagen ab 2008 rasant an. In Folge wurden die Verarbeitungskapazitäten für Silizium knapp. Aus der Not machte die Photovoltaik-Branche eine Tugend und entwickelte eine neue Technologie: Dünnschichtmodule. Auch hiervon gibt es wiederum verschiedene Typen, aber nur für die amorphen Dünnschichtmodule wird Silizium benötigt.
Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen wird ein Trägermaterial mit einem Halbleiter beschichtet. Die Halbleitermaterialien, die aufgetragen werden können, sind vielfältig. Die in der Photovoltaik-Branche gängigen sind: Silizium für amorphe Siliziumzellen, Kupfer-Indium-Selenid (CIS-Zellen), Cadmium-Tellurid (CdTe) und Galliumarsenid (GaAs). Möglich ist auch die Beschichtung mit Farbstoffzellen.
Dünnschichtzellen sind einfacher herzustellen als kristalline Solarzellen. Auch ist der Materialeinsatz deutlich geringer als bei kristallinen Zellen. Ein weiterer Vorteil ist das geringere Gewicht, was die Monteure freut, und die Module können die Strahlungsenergie aus diffusem Licht besser in Strom umwandeln.

Mehr Fläche für Dünnschichtmodule

Dem stehen Nachteile gegenüber: So haben Dünnschichtmodule einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad als kristalline Photovoltaik Module. Als Faustregel lässt sich sagen: Um die gleiche Menge Energie zu erzeugen, muss die Fläche bei Dünnschichtmodulen doppelt so groß sein wie bei kristallinen Modulen. Dünnschichtmodule kommen deshalb vor allem bei großen Freiflächenanlagen (Solarparks) zum Einsatz, sie wurden auch häufig auf großen landwirtschaftlichen, gewerblichen und industriellen Dächern montiert.
Nachdem die Kapazitäten zur Verarbeitung von Silizium aufgestockt waren und gleichzeitig die Preise für kristalline Module durch den Aufbau neuer Fertigungskapazitäten, vor allem in Asien, stark gesunken waren, ging die Nachfrage nach Dünnschichtmodulen wieder zurück. Heute werden in erster Linie multikristalline PV-Module installiert.

Hybrid-Module: kombinierte Technologie

Die Vorteile beider Technologien vereinen wollen die Hersteller so genannter Hybrid-Module. Dabei werden zum Beispiel auf kristalline Solarzellen zusätzliche Dünnschichtsolarzellen aufgetragen. Diese Module haben dann einerseits den höheren Wirkungsgrad von kristallinen Zellen, können aber durch die Dünnschichtzellen diffuses Licht besser in elektrische Energie umwandeln. Nur wenige Hersteller bieten diesen Modultyp an. Wegen der höheren Effizienz ist er teurer als kristalline Module. Von Vorteil sind diese Module zum Beispiel, wenn wenig Platz für die Photovoltaik-Anlage vorhanden ist, auf der knappen Fläche aber möglichst viel Strom erzeugt werden soll.
Als Hybrid-Modul wird übrigens noch ein anderes Produkt bezeichnet. Das sind Module, die sowohl Solarzellen für die Stromerzeugung haben als auch einen integrierten Solarkollektor für die Wärmeerzeugung. Diese Module wurden für Bauherren entwickelt, die ihr Dach für die Erzeugung von umweltfreundlichem Strom und ebensolcher Wärme nutzen wollen und Wert auf ein einheitliches Aussehen der Kollektoren und Module legen.

Von der Einspeisung zur Eigenversorgung mit Solarstrom

Eigenversorgung mit SolarstromAls das Erneuerbare-Energien-Gesetz und vor allem das sogenannte Vorschaltgesetz von 2004 die Nachfrage nach Solaranlagen in die Höhe schießen ließen, entstand eine blühende Photovoltaikindustrie in Deutschland. Zahlreiche Unternehmen, darunter auch global agierende Konzerne, begannen, Solarstrommodule herzustellen. Ab 2009 stieg der Photovoltaik-Zubau in unvorhergesehene Höhen an.
In den Jahren 2010 bis 2012 gab es mit einem jährlichen Zubau von durchschnittlich 7,5 Gigawatt installierter Photovoltaik-Leistung einen regelrechten Boom in Deutschland. Und in über 50 anderen Ländern rund um den Globus wurden Gesetze nach dem Vorbild des deutschen EEG erlassen, um den Zubau von regenerativen Anlagen zur Stromerzeugung voranzutreiben.
Diese Chance, in einem aufstrebenden Markt Fuß zu fassen, wollten natürlich viele Unternehmen nutzen. Vor allem in Asien schossen Solarmodulfabriken aus dem Boden. Daraufhin sanken die PV-Modulpreise rapide, was die deutsche Bundesregierung dazu veranlasste, mit der EEG-Novelle 2012 die Einspeisevergütung für Solarstrom deutlich abzusenken.

Solarstromspeicher für hohen Eigenverbrauch

Seither soll Solarstrom nicht mehr vorrangig in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, sondern nach Möglichkeit im Gebäude verbraucht werden. Ohne Batteriespeicher kann ein Haushalt mit durchschnittlichem Verbrauch allerdings nur rund 30 Prozent seines Solarstroms selbst verbrauchen. Mit einem Photovoltaik-Speicher, die mittlerweile auch schon deutlich günstiger geworden sind, können es bis zu etwa 80 Prozent Eigenverbrauch sein.
Durch diesen Wandel in den Rahmenbedingungen brach der deutsche Photovoltaik-Markt 2012 ein, was – zusammen mit dem Wettbewerb aus dem Ausland – für viele deutsche Hersteller dramatische Folgen hatte. Aktuell gibt es noch etwa ein Dutzend deutsche Modulproduzenten. Bei vielen scheint es, dass sie sich auf die Ursprünge der deutschen Modulindustrie zurückbesonnen haben: Mit kleinen Produktionskapazitäten bieten sie Standard- und Sondermodule „Made in Germany“ an.
In der Produktqualität stehen die Photovoltaik Module vieler asiatischer Hersteller deutscher Qualität in nichts mehr nach. Der interessierte Anlagenbauer kann sich nach einer gründlichen Recherche für deutsche oder ausländische Module entscheiden und ruhigen Gewissens eine Photovoltaikanlage bauen, die heutzutage immer häufiger mit einem Stromspeicher kombiniert wird.

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