r.energy Basics – Solarmodule Arten, Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten

Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen, die sich hinsichtlich Aufbau, Wirkungsgrad und Einsatzgebiet unterscheiden. Welche Technologie am besten geeignet ist, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab – ein Überblick.

Solarenergie ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Doch Solarmodul ist nicht gleich Solarmodul: Unterschiedliche Technologien bringen jeweils eigene Stärken und Einsatzbereiche mit sich. Wer die passende Lösung wählen will, sollte die wichtigsten Modultypen und ihre Eigenschaften kennen.

Welche Arten von Solarmodulen gibt es?

Solarmodule lassen sich grundsätzlich nach der verwendeten Solarzellentechnologie unterscheiden. Die wichtigsten Arten sind monokristalline, polykristalline und organische Solarzellen.

Poly- und monokristalline Zellen werden auch als Dickschichtzellen bezeichnet. Im Gegensatz dazu stehen die Dünnschichtzellen, die aus amorphem Silizium bestehen.  

Darüber hinaus gibt es spezielle Modultypen wie bifaziale Module, die Licht von Vorder- und Rückseite nutzen können, Glas-Glas-Module mit besonders hoher Lebensdauer sowie flexible Module für mobile Anwendungen.

Monokristalline Solarmodule

Monokristalline PV-Module bestehen aus Solarzellen, die aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt werden. Dadurch können die Elektronen besonders effizient fließen, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt.

Sie haben meist eine gleichmäßig schwarze oder dunkelblaue Oberfläche und gelten als die leistungsstärkste der verbreiteten Modularten. Da sie viel Strom auf kleiner Fläche erzeugen, eignen sie sich besonders für Dächer mit begrenztem Platz.

Monokristalline Module sind langlebig und können oft 25 Jahre oder länger genutzt werden. Sie arbeiten auch bei schwächerer Sonneneinstrahlung vergleichsweise effizient. Allerdings sind sie in der Herstellung aufwendiger als andere Modultypen und daher häufig etwas teurer.

Funktionsweise

Monokristalline Solarmodule wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Ihr Siliziumkristall dient als Halbleiter.

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzellen, werden Lichtteilchen (Photonen) vom Silizium aufgenommen. Dadurch werden Elektronen im Material angeregt und aus ihrer Position gelöst. In der Solarzelle befindet sich ein elektrisches Feld, das diese Elektronen in eine bestimmte Richtung lenkt.

Durch die Bewegung der Elektronen entsteht elektrischer Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind innerhalb des Moduls miteinander verbunden, sodass sich ihre Leistungen addieren. Der erzeugte Gleichstrom wird anschließend von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der im Haushalt genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden kann.

Vor- und Nachteile im Überblick

Für wen geeignet?

Monokristalline Solarmodule eignen sich besonders für Hausbesitzerinnen und Hausbesitzer, die auf einer begrenzten Dachfläche möglichst viel Strom erzeugen möchten. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades liefern sie auch auf kleineren Dächern hohe Erträge.

Sie sind außerdem eine gute Wahl für Personen, die langfristig in eine Photovoltaikanlage investieren möchten. Die Module sind sehr langlebig und behalten ihre Leistung über viele Jahre hinweg.

Auch bei Dächern mit ungünstigen Platzverhältnissen oder Teilverschattung können monokristalline Module vorteilhaft sein, da sie im Vergleich zu vielen anderen Modultypen eine hohe Effizienz aufweisen.

Für die Stromerzeugung für Unternehmen, öffentliche Gebäude und landwirtschaftliche Betriebe eignen sie sich ebenfalls, wenn eine hohe Stromproduktion pro Quadratmeter erreicht werden soll. Obwohl die Anschaffungskosten oft etwas höher sind, können die höheren Energieerträge diesen Nachteil langfristig ausgleichen.

Polykristalline Solarmodule

Polykristalline Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die aus vielen einzelnen Siliziumkristallen hergestellt werden. Durch diese Struktur unterscheiden sie sich von monokristallinen Modulen, die nur aus einem einzigen Kristall bestehen.

Ein typisches Merkmal polykristalliner Module ist ihre bläuliche Farbe mit einer leicht schimmernden, kristallinen Oberfläche. Ihr Wirkungsgrad ist in der Regel etwas geringer als der von monokristallinen Modulen, weshalb sie für die gleiche Leistung mehr Fläche benötigen.

Polykristalline Solarmodule sind vergleichsweise kostengünstig herzustellen, da ihre Produktion weniger aufwendig ist. Sie bieten eine gute Kombination aus Leistung und Preis und wurden deshalb lange Zeit häufig in Photovoltaikanlagen eingesetzt.

Außerdem sind sie robust und langlebig. Wie andere hochwertige Solarmodule können auch sie über viele Jahrzehnte Strom erzeugen. Zusammengefasst zeichnen sich polykristalline Solarmodule durch eine bläuliche Optik, einen mittleren Wirkungsgrad, einen größeren Flächenbedarf und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus.

Vor- und Nachteile im Überblick

Funktionsweise

Polykristalline Solarmodule funktionieren nach demselben Grundprinzip wie andere Photovoltaikmodule: Sie wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um.

Die Solarzellen bestehen aus vielen miteinander verbundenen Siliziumkristallen. Trifft Sonnenlicht auf die Zellen, werden die Lichtteilchen (Photonen) vom Silizium aufgenommen. Dadurch werden Elektronen angeregt und aus ihren Bindungen gelöst.

In der Solarzelle befindet sich ein elektrisches Feld, das die freigesetzten Elektronen in eine bestimmte Richtung lenkt. Durch diese Bewegung entsteht elektrischer Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind zu einem Modul zusammengeschaltet, sodass ihre erzeugte Energie gebündelt wird.

Der erzeugte Gleichstrom wird anschließend von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dieser kann dann im Haushalt genutzt, gespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Für wen geeignet?

Polykristalline Solarmodule eignen sich besonders für Personen und Unternehmen, die eine kostengünstige Photovoltaikanlage (PV-Anlage) installieren möchten und ausreichend Dach- oder Freifläche zur Verfügung haben. Da ihr Wirkungsgrad etwas geringer ist als der von monokristallinen Modulen, benötigen sie für die gleiche Leistung mehr Platz.

Sie sind eine gute Wahl für Einfamilienhäuser, landwirtschaftliche Gebäude, Gewerbebetriebe und große Freiflächenanlagen, bei denen der verfügbare Platz kein entscheidender Faktor ist. Durch ihr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis können die Anschaffungskosten oft niedriger ausfallen.

Auch für Nutzerinnen und Nutzer, die eine zuverlässige und langlebige Lösung zur Stromerzeugung suchen, sind polykristalline Module geeignet. Sie bieten über viele Jahre stabile Energieerträge und sind robust gegenüber Witterungseinflüssen.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen aus kohlenstoffbasierten, organischen Halbleitermaterialien anstelle von Silizium. Sie gehören zu den neueren Photovoltaik-Technologien und befinden sich teilweise noch in der Weiterentwicklung.

Eine wichtige Eigenschaft organischer Solarzellen ist ihre Flexibilität. Sie können auf dünnen Kunststofffolien hergestellt werden und sind dadurch leicht, biegsam und vielseitig einsetzbar. Außerdem lassen sie sich in unterschiedlichen Farben und teilweise sogar transparent produzieren.

Die Herstellung organischer Solarzellen (+) kann mit vergleichsweise geringem Material- und Energieaufwand erfolgen. Dadurch besteht das Potenzial für niedrige Produktionskosten.

Allerdings haben organische Solarzellen meist einen geringeren Wirkungsgrad als herkömmliche Silizium-Solarzellen. Zudem ist ihre Lebensdauer oft kürzer, da die organischen Materialien empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und UV-Strahlung sein können.

Vor- und Nachteile im Überblick

Funktionsweise

Organische Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, nutzen dafür jedoch organische Halbleitermaterialien auf Kohlenstoffbasis statt Silizium.

Wenn Licht auf die aktive Schicht der Solarzelle trifft, wird die Energie der Lichtteilchen (Photonen) aufgenommen. Dadurch entstehen sogenannte Exzitonen, also gebundene Elektron-Loch-Paare. Diese müssen zunächst getrennt werden, damit elektrischer Strom entstehen kann.

An der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen organischen Materialien werden die Exzitonen in freie Elektronen und positive Ladungsträger (Löcher) aufgespalten. Das elektrische Feld innerhalb der Solarzelle sorgt anschließend dafür, dass die Elektronen und Löcher in entgegengesetzten Richtungen wandern.

Die Elektronen fließen über die Elektroden durch einen äußeren Stromkreis. Dadurch entsteht elektrischer Strom, der zum Betrieb von Geräten genutzt oder gespeichert werden kann.

Für wen geeignet?

Organische Solarzellen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen geringes Gewicht, Flexibilität und eine einfache Integration wichtiger sind als ein maximaler Wirkungsgrad.

Sie sind beispielsweise für tragbare elektronische Geräte, Wearables, Sensoren oder mobile Stromversorgungen interessant. Da sie auf dünnen und biegsamen Folien hergestellt werden können, lassen sie sich auch auf gekrümmten Oberflächen anbringen.

Im Bauwesen können organische Solarzellen für Fassaden, Fenster oder andere Gebäudeelemente eingesetzt werden, da sie teilweise transparent oder in verschiedenen Farben hergestellt werden können. Dadurch bieten sie Architektinnen und Architekten mehr Gestaltungsmöglichkeiten als herkömmliche Solarmodule. Auch für Anwendungen im Innenbereich eignen sie sich, da einige organische Solarzellen künstliches Licht relativ gut nutzen können.

Für klassische Dachanlagen zur maximalen Stromerzeugung sind organische Solarzellen derzeit meist weniger geeignet. Hier werden aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades und ihrer längeren Lebensdauer überwiegend monokristalline oder polykristalline Solarmodule eingesetzt.

Wie sind Solarmodule aufgebaut?

Entsprechend der Dicke der verwendeten Solarzellen lassen sich Solarmodule in Dickschicht- und Dünnschichtmodule unterteilen:

• Mono- und polykristalline Solarzellen werden üblicherweise zu sogenannten Dickschicht-Solarmodulen weiterverarbeitet. Dabei werden die nur wenige Millimeter dünnen Siliziumscheiben zwischen zwei Schutzfolien eingebettet und anschließend in einen stabilen Rahmen aus Aluminium oder Stahl eingesetzt.
• Dünnschicht-Solarmodule bestehen in der Regel aus amorphem Silizium als Grundmaterial. Darüber hinaus werden oft auch Halbleiterverbindungen wie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) sowie Cadmiumtellurid (CdTe) verwendet.

Weitere Modularten

Unterscheiden lassen sich Dickschicht-Solarmodule auch danach, wie der Modulverbund aufgebaut ist. Die am weitesten verbreitete Bauform sind Glas-Folien-Module. Dabei wird die Solarzelle auf der Vorderseite durch eine Glasschicht geschützt, während auf der Innenseite eine spezielle Folie als Abschluss dient.

Glas-Glas-Module werden in der Regel mit kristallinen Silizium-Solarzellen gefertigt. Dabei sind die Zellen beidseitig von Glasschichten umgeben, die für zusätzlichen Schutz und Stabilität sorgen.

Solarmodule lassen sich darüber hinaus nach der Art der verwendeten Zellen klassifizieren. Dazu gehören die bereits monokristallinen, polykristallinen und organischen Zellen sowie:

• Halbzellenmodule sind dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen in zwei Hälften geteilt werden. Dieser konstruktive Ansatz verbessert die Leistungsfähigkeit des Moduls. Die Halbzellen können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, werden jedoch überwiegend aus monokristallinem Silizium hergestellt.
• Bifaziale Module sind so konzipiert, dass auch auf der Rückseite einfallendes Licht verwertet werden kann. Das erhöht den Wirkungsgrad der Zelle und des Moduls.

Starre Solarmodule

Starre Solarmodule sind Solarmodule mit einer festen, nicht biegsamen Bauweise. Sie bestehen in der Regel aus Solarzellen, die zwischen einer Frontscheibe aus gehärtetem Glas und einer stabilen Rückseite eingebettet sind. Ein Aluminiumrahmen sorgt zusätzlich für Stabilität.

Die meisten auf Hausdächern und Freiflächenanlagen installierten Photovoltaikmodule sind starre Solarmodule. Sie können sowohl monokristalline als auch polykristalline Solarzellen enthalten.

Eigenschaften

Starre Solarmodule zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität und Langlebigkeit aus. Sie sind widerstandsfähig gegen Witterungseinflüsse wie Regen, Schnee, Wind und Hagel und können über 25 Jahre oder länger Strom erzeugen.

Durch ihre robuste Konstruktion erreichen sie oft hohe Wirkungsgrade und eignen sich besonders für feste Installationen auf Dächern, Fassaden oder Freiflächen.

Vor- und Nachteile im Überblick

Einsatzgebiete

Starre Solarmodule werden vor allem auf Wohnhäusern, Gewerbegebäuden, landwirtschaftlichen Gebäuden und in großen Solarparks eingesetzt. Dort bieten sie eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung zur Stromerzeugung.

Flexible Solarmodule

Flexible Solarmodule sind Solarmodule, die sich biegen oder an gekrümmte Oberflächen anpassen lassen. Im Gegensatz zu starren Solarmodulen besitzen sie keine schwere Glasabdeckung und oft keinen Aluminiumrahmen. Stattdessen werden die Solarzellen auf leichte und flexible Trägermaterialien aufgebracht.

Flexible Solarmodule basieren in der Regel auf Dünnschichttechnologien oder besonders dünnen kristallinen Solarzellen. Dadurch sind sie deutlich leichter als starre Module.

Eigenschaften

Flexible Solarmodule zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht und ihre Anpassungsfähigkeit aus. Sie können auf Oberflächen montiert werden, auf denen starre Module nicht eingesetzt werden können.

Da sie leichter sind, eignen sie sich besonders für mobile Anwendungen oder Dächer mit begrenzter Tragfähigkeit. Allerdings erreichen sie oft geringere Wirkungsgrade und haben teilweise eine kürzere Lebensdauer als starre Module.

Vor- und Nachteile im Überblick

Einsatzgebiete

Flexible Solarmodule werden häufig auf Wohnmobilen, Caravans, Booten, Zelten, Fahrzeugdächern und tragbaren Stromversorgungssystemen eingesetzt. Außerdem kommen sie bei speziellen Bauprojekten zum Einsatz, bei denen leichte oder gebogene Flächen genutzt werden sollen.

Transparente Solarmodule

Transparente Solarmodule sind Solarmodule, die Licht teilweise durchlassen und gleichzeitig elektrische Energie aus Sonnenlicht erzeugen. Sie werden so konstruiert, dass ein Teil des einfallenden Lichts zur Stromerzeugung genutzt wird, während der restliche Teil durch das Modul hindurchscheinen kann.

Transparente Solarmodule können aus speziellen kristallinen Solarzellen mit Zellzwischenräumen oder aus Dünnschicht- beziehungsweise organischen Solarzellen hergestellt werden. Je nach Bauweise variiert ihre Lichtdurchlässigkeit.

Eigenschaften

Transparente Solarmodule verbinden die Funktion eines Bauelements, beispielsweise eines Fensters oder einer Glasfassade, mit der Stromerzeugung. Dadurch eignen sie sich besonders für die gebäudeintegrierte Photovoltaik.

Da ein Teil des Sonnenlichts durchgelassen wird, ist ihr Wirkungsgrad meist geringer als der von herkömmlichen, undurchsichtigen Solarmodulen. Dafür bieten sie zusätzliche architektonische und gestalterische Möglichkeiten.

Vor- und Nachteile im Überblick

Einsatzgebiete

Transparente Solarmodule werden vor allem in der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) eingesetzt. Typische Anwendungen sind Fenster, Glasfassaden, Wintergärten, Überdachungen, Carports, Bushaltestellen sowie Gewächshäuser.

Fazit & Zusammenfassung

Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen, die sich hinsichtlich Aufbau, Zelltechnologie, Modulwirkungsgrad, Kosten und Einsatzgebiet unterscheiden. Welche Technologie am besten geeignet ist, hängt vor allem von den individuellen Anforderungen und den örtlichen Gegebenheiten ab.

• Monokristalline Photovoltaik-Module bieten den höchsten Wirkungsgrad und eignen sich besonders für Dächer mit begrenzter Fläche. Sie sind langlebig und leistungsstark, aber meist etwas teurer in der Anschaffung.
• Polykristalline Solarmodule stellen eine wirtschaftliche Alternative dar. Sie sind günstiger, benötigen jedoch mehr Fläche, um die gleiche Strommenge zu erzeugen.
• Dünnschichtmodule zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht und ihre gute Leistung bei diffusem Licht aus. Sie eignen sich vor allem für spezielle Anwendungen und große Flächen, erreichen jedoch meist niedrigere Wirkungsgrade.
• Organische Solarzellen bieten innovative Möglichkeiten durch ihre Flexibilität, ihr geringes Gewicht und ihre vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten. Aufgrund ihres geringeren Wirkungsgrades und ihrer kürzeren Lebensdauer werden sie derzeit hauptsächlich in Spezialanwendungen eingesetzt.
• Starre Solarmodule sind die klassische und am weitesten verbreitete Form von Solarmodulen. Sie überzeugen durch hohe Stabilität, lange Lebensdauer und gute Leistungswerte.
• Flexible Solarmodule eignen sich besonders für mobile Anwendungen, Fahrzeuge, Boote oder gebogene Oberflächen. Ihr Vorteil liegt in ihrer Anpassungsfähigkeit, während ihre Leistung meist geringer ausfällt als bei starren Modulen.
• Transparente Solarmodule verbinden Stromerzeugung mit architektonischen Funktionen, beispielsweise in Fenstern oder Glasfassaden. Sie ermöglichen eine doppelte Flächennutzung, erzielen jedoch meist geringere Energieerträge.

Insgesamt sind monokristalline Solarmodule heute die am häufigsten eingesetzte Technologie, da sie ein sehr gutes Verhältnis aus Leistung, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit bieten. Gleichzeitig gewinnen Speziallösungen wie flexible, transparente oder organische Solarmodule zunehmend an Bedeutung, da sie neue Einsatzmöglichkeiten für die Nutzung von Solarenergie erschließen.