Ein Solarmodul macht aus Sonnenlicht regenerativ erzeugten Strom

Wer eine Photovoltaikanlage aufbauen will, kommt am Solarmodul nicht vorbei. Doch was ist eigentlich ein Solarmodul? Wie funktioniert es? Welche Typen gibt es? Und worin unterscheidet sich das Solarmodul von der Solarzelle? Auch zur Installation und der Integration innerhalb der Photovoltaikanlage treten oft Fragen auf. Wer sich ein wenig mit dem Aufbau und der Funktionsweise eines PV Moduls befasst, trifft meist eine bessere Kaufentscheidung und profitiert von einer wirtschaftlichen PV-Anlage.

Was versteht man unter einem Solarmodul?

Ein Solarmodul besteht aus mehreren, miteinander verschalteten Solarzellen. Um die Solarzellen gegen Witterung zu schützen, werden sie nach außen isoliert. Nach unten hin werden sie mit einer Folie abgedichtet und nach oben mit Glas. Das Ganze wird durch einen Aluminiumrahmen eingefasst und mechanisch stabilisiert. Über diesen Rahmen wird das Modul dann auch mit der Unterkonstruktion verschraubt.

Zur Einbettung der Solarzellen wird meist der Kunststoff Ethylenvinylacetat verwendet. Die obere Abdeckung bildet hochtransparentes, gehärtetes Glas. Für Solar Module lassen sich unterschiedliche Bauarten von Solarzellen verwenden. Die Unterschiede betreffen Wirkungsgrad, Einsatzart und Preis.

Seit wann werden Photovoltaik Module zur Stromerzeugung eingesetzt?

Solarpanele wurden ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt und versorgten Satelliten mit Strom. In den 70er Jahren begann man mit der Entwicklung von Solarpaneelen für weitere Zwecke. Ein typisches Anwendungsbeispiel aus dem Alltag sind mit kleinen Solarmodulen ausgestattete Taschenrechner und Außenleuchten. Parallel wurde an PV Modulen für die häusliche Energieversorgung gearbeitet.

Die Photovoltaik-Anlagen heutiger Bauart kamen in den 80er Jahren auf. Einen wichtigen Anstoß gaben das 1000-Dächer-Programm und das Erneuerbare Energiengesetz der Bundesregierung. Die öffentliche Förderung führte zur weiten Verbreitung von PV Anlagen und erleichterte vielen Hausbesitzer/innen und Hausbauer/innen die Anschaffung.

Zwar wird heute nicht mehr in dem gleichen Umfang gefördert, dafür sind aber die Anschaffungskosten insgesamt deutlich gesunken. Wenn Sie sich einen Überblick über Fördermöglichkeiten verschaffen möchten, finden Sie in unserem Artikel die immer aktuellen Programme von Bund und Ländern.

Wie unterscheiden sich Solarmodule von Solarzellen?

Ein Solarmodul setzt sich aus Solarzellen zusammen. Eine Solarzelle ist von ihrem Aufbau her eine Halbleiterdiode und verwandelt die Strahlungsenergie der Sonne in Gleichstrom. Die beiden Halbleiterschichten aus Silizium besitzen entgegengesetzte Ladungen. Zwischen der positiv und negativ geladenen Schicht baut sich ein elektrisches Feld auf, der sogenannte p-n-Übergang. Das elektrische Feld verhindert den unmittelbaren Ausgleich des Spannungspotentials.

Sobald Licht auf die Solarzelle trifft, wird über den Photoeffekt Strom erzeugt und in einen Stromkreis überführt. Eine detaillierte Erläuterung dieses Vorgangs finden Sie in unserem Artikel „Wie funktioniert Solarenergie?”.

Die Grenzschicht lässt den Strom nur in eine Richtung fließen, daher erzeugen PV Module stets Gleichstrom. Es gibt polykristalline Solarzellen, monokristalline Solarzellen und Dünnschichtzellen. Das sind die Unterschiede:

Polykristalline Solarzellen

Das Halbleitermaterial Silizium der Solarzellen ist mit Bor-Atomen versetzt. Die Ingots genannten Siliziumblöcke werden in Scheiben zersägt. Diese sogenannten Wafer werden mit einer Antireflexionsschicht versehen. Siliziumkristalle in polykristallinen Solarzellen sind zufällig angeordnet – dies verursacht Leistungsverluste. Dafür sind diese Solarzellen preiswert.

Monokristalline Solarzellen

Auch monokristalline Solarzellen werden aus in Scheiben geschnittenen Siliziumblöcken hergestellt. Durch ein aufwendiges Produktionsverfahren werden die Kristalle jedoch gleichmäßig ausgerichtet, so dass weniger Leistungsverluste entstehen und der Wirkungsgrad höher ist, als bei polykristallinen Solarzellen. Das aufwendige Herstellungsverfahren spiegelte sich bislang in einem höheren Preis. Im Vergleich zu früher ist dieser aber stark gesunken, womit es bei Aufdachanlagen keinen triftigen Grund gibt, polykristalline Module zu verbauen. Zumal monokristalline ein besseres Schwachlichtverhalten zeigen.

Dünnschichtzellen

Bei Dünnschichtzellen wird ein Trägermaterial mit dem Halbleiter beschichtet – dies spart Rohstoff. Neben Silizium wird auch Galliumarsenid, Cadmiumtellurid und Kupferindiumselenid für die Produktion verwendet. Bei der Grätzelzelle bildet ein Farbstoff den Träger, daher wird sie auch Farbstoffzelle genannt.

Die Verschaltung der Dünnschichtzellen untereinander findet bereits im Herstellungsprozess statt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Produktion und macht Dünnschichtmodule variabel einsetzbar. Die Nachteile von Dünnschichtzellen gegenüber kristallinen Solarzellen sind die reduzierte Beständigkeit und der geringere Wirkungsgrad.

Solarmodule erzeugen den Strom für die Photovoltaikanlage

Eine Solaranlage lässt sich als Inselanlage oder als netzgekoppelte Photovoltaikanlage betreiben. Um einen größtmöglichen Ertrag aus der Photovoltaik Anlage zu erzielen, müssen alle Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein. Dies gilt vor allem für das Zusammenwirken von Solarzellen, Solarmodulen, Strings und Solargenerator. Solarzellen werden zu Solarmodulen zusammengeschaltet, die wiederum zu Strings angeordnet werden. Die gesamte Einheit bildet den Solargenerator einer Photovoltaikanlage.

In beiden Versionen einer Photovoltaikanlage nimmt das Solar Panel eine Schlüsselstellung ein. Aus diesen Komponenten setzen sich die beiden Typen einer Photovoltaikanlage zusammen:

Inselanlage:

Solarmodule (in Strings zusammengeschaltet und zum Solargenerator gekoppelt)
Generatoranschlusskasten (Kopplung der Solarmodule zum Solargenerator)
Verkabelung
Stromspeicher (speichert in einer Inselanlage Strom in Akkus)
Laderegler (verhindert Tiefentladung und Überladung der Batterie)
Inselwechselrichter (zum Anschluss von mit Wechselstrom betriebenen Verbrauchern)

Netzgekoppelte Photovoltaikanlage:

Solarmodule
Generatoranschlusskasten
Verkabelung
Wechselrichter
Einspeisezähler (misst den in das öffentliche Netz eingespeisten Strom)
Einspeisemanagement (Fernüberwachung durch den Netzbetreiber)
Stromspeicher

Wir bei EIGENSONNE bauen zwar keine Inselanlagen, aber in unserem Artikel „Der Unterschied zwischen Inselanlagen und netzgekoppelten PV-Anlagen” finden Sie noch einmal eine gute grafische Darstellung dieses Anlagentyps.

Welche Leistung erbringen Solarmodule?

Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird hauptsächlich durch die zur Verfügung stehende Fläche und die Auswahl der PV Module beeinflusst. Monokristalline Module beanspruchen für eine Leistung von 1 Kilowatt Peak eine Fläche von fünf bis sieben Quadratmetern. Für polykristalline Module sind sechs bis acht Quadratmeter zu veranschlagen. Für eine maximal wirtschaftliche Auslegung der Photovoltaikanlage sind folgende Punkte zu beachten:

Verfügbare Montagefläche
Stromverbrauch
Investitionskosten
Speicherbatterie
Eigenverbrauchsanteil

Bei einem Flachdach ist wegen der gegenseitigen Abschattungen der Module mindestens vom doppelten Flächenbedarf auszugehen.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Solarzellen und Solarmodule

Polykristalline Solarmodule

+ Preiswert in der Produktion
+ Bewährte Technik
– Geringer Wirkungsgrad
– Hoher Flächenbedarf

Monokristalline Solarmodule

+ Hoher Wirkungsgrad
+ Geringer Flächenbedarf
+ Bewährte Technik
+ Besseres Schwachlichtverhalten
– Hoher Preis

Dünnschichtmodule

+ Günstige Fertigung
+ Kleiner Rohstoffaufwand
+ Hohe Temperaturbeständigkeit
+ Flexibles Trägermaterial
– Kleiner Wirkungsgrad
– Vorzeitige Alterung

Montage der Solarmodule

Aufdach- und Indachanlagen

Aufdachanlagen werden über ein Montagesystem auf dem Dach montiert. Wenn die PV Module auf dem Dach installiert werden, wird zunächst die Unterkonstruktion montiert, auf der anschließend die Solarplatten mit Hilfe von Dachhaken und Schienen befestigt werden. Aufdachanlagen lassen sich daher meist problemlos nachrüsten.

Indachanlagen werden nahtlos in das Dachgefüge integriert. Sie ersetzen so teilweise die Dachziegel. Indachanlagen bestechen durch ihre Eleganz, erfordern jedoch einen höheren Installationsaufwand. Solarpaneele lassen sich auch in die Hausfassade integrieren. Hierbei sind Architektur und Himmelsrichtung der Fassade bestimmende Faktoren.

Montagesystem für Flachdächer

Wir bei EIGENSONNE montieren PV-Module auf Flachdächern ausschließlich mittels Aufständerung, die beschwert wird. Das heißt, wir bohren nicht in das Obermaterial des Daches (Bitumenbahnen, zum Beispiel), da sonst eine Dichtigkeit über 30 und mehr Jahre nicht gewährleistet werden kann.

Nachführung von Solarmodulen

Das Nachführen der Module, sprich, sie mit dem Stand der Sonne zu bewegen, ist am sinnvollsten bei hohem direkten Sonnenenstrahlungsanteil, wie in Gegenden um den Äquator. Zwar bieten diese Systeme eine Wirkungsgradverbesserung, die Technik ist aber so aufwendig und wartungsintensiv, dass sie im privaten Bereich eher selten anzutreffen ist.

Welche Batterie braucht ein Solarmodul?

Prinzipiell lässt sich jede moderne Autobatterie als Solarbatterie verwenden. Spezielle Solarbatterien sind auf den Einsatzzweck jedoch besser angepasst und zeichnen sich durch hohe Zyklenfestigkeit aus. Solarbatterien besitzen auch eine bessere Akzeptanz in der Entladetiefe. Eine Alternative zur Solarbatterie ist die AGM-Batterie (Absorbent Glass Mat, mehr auf Wikipedia). Zunehmend werden für PV Module auch Akkumulatoren auf Lithium-Ionen-Basis eingesetzt.

Wie erfolgt die Berechnung der Ladezeit?

Das Laden einer Autobatterie oder Solarbatterie lässt sich relativ einfach berechnen. Hierzu ist die Kapazität durch die Ladestromstärke zu teilen. Hat eine Batterie zum Beispiel eine Kapazität von 85 Ah und beträgt die Ladestromstärke 6 Ampere, so dauert das Laden der Batterie rund 14 Stunden. Allerdings sind Verluste zu beachten, die durch Witterung, Kabellängen und andere Einflüsse auftreten können.

Wie lange dauert das Laden einer Autobatterie mit einem Solarmodul?

Die Sonnenlichtausbeute kann je nach Jahreszeit und Aufstellort der Anlage schwanken. Scheint die Sonne nur sechs Stunden am Tag, ist eine vollständig entleerte Batterie erst nach zweieinhalb Tagen geladen. In der Praxis ist die Ladezeit jedoch kürzer, da die Tiefentladung einer Batterie die Batteriezellen zerstören kann und die Kapazität deshalb nicht unter 50 % fallen sollte.

Solarmodule mit integriertem Leistungsoptimierer

Ein Leistungsoptimierer kann den Ertrag eines PV Moduls erheblich steigern. Die elektronischen Komponenten verbessern den Wirkungsgrad um bis zu 30 %, indem sie den Energieertrag der einzelnen PV Module permanent überwachen. Die Stromausbeute ist durch lokale Abschattungen bedingt nicht immer einheitlich und kann von Solarmodul zu Solarmodul schwanken. Das Steuergerät im Leistungsoptimierer sucht für jedes Modul einzeln den optimalen Betriebspunkt. Dies führt zu einer besseren Gesamtperformance, da sich die zu Strings zusammengeschalteten PV Module ansonsten an den leistungsschwächsten Modulen ausrichten würden.

Solarmodule mit integriertem Wechselrichter

Für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen gibt es PV Module mit integriertem Wechselrichter. Sinnvoll ist der Einsatz solcher Modulwechselrichter, wenn die einzelnen PV Module stark abweichende Erträge erzielen. Modulwechselrichter eignen sich vor allem für kleine Anlagen. Ihr Vorzug: Ein defekter Wechselrichter legt nicht gleich die gesamte Photovoltaikanlage lahm. Der Nachteil: Mehr Technik, die kaputt gehen kann.

Solarmodule und Lebensdauer

Auf Solarpaneele geben führende Hersteller lange Garantien, die deutlich über die gesetzliche Gewährleistung von zwei Jahren hinausreichen. Nicht selten umfasst die Leistungsgarantie einen Zeitraum von 20 bis 25 Jahren. Hintergrund ist, dass ein aus unbewegten Solarzellen aufgebautes PV Modul bei guter Verarbeitung kaum einer Materialermüdung ausgesetzt ist. Bei hochwertiger Auslegung von Werkstoffen wie Glasabdeckung, Folien und Anschlüssen ist eine lange Nutzungsdauer gegeben. Auch Defekte treten eher selten auf.

Schwachpunkte können Kunststoffteile und während der Herstellung unentdeckte Einschlüsse in der Verglasung darstellen. Ausfälle treten eher bei anderen Komponenten einer Photovoltaikanlage auf. So besitzen Wechselrichter je nach Typ und Auslegung eine durchschnittliche Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren. Auch die Verkabelung kann an Schwachstellen einen Defekt auslösen. Hersteller doppelt isolierter Solarkabel versprechen aber immerhin 25 Jahre Haltbarkeit.

Recycling von PV Modulen

Auch wenn mit einer langen Lebensdauer der Solarmodule zu rechnen ist – irgendwann ist der Zeitpunkt erreicht, an dem sie außer Betrieb gesetzt werden. Die wertvollen Rohstoffe in einem Solarmodul sollten wieder dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden. Vor allem das Silizium und das Glas lassen sich erneut verwerten. Die EU-Richtlinie zum Recycling von Elektroschrott hat daher auch Photovoltaik Module aufgenommen und sieht vor, dass mindestens 80 % aller PV Module recycelt werden. Um eine gute Ökobilanz der PV Module muss sich der Käufer einer Solaranlage daher keine Sorgen machen. Lesen Sie hierzu auch unseren Artikel „Gute Ausbeute: PV-Recycling”.

Alternativen zu Solarmodulen

Oftmals werden auch Solarkollektoren als Solarmodule bezeichnet, obwohl es sich hierbei um thermische Energiewandler handelt. Die Solarthermie ist nicht wirklich eine Alternative zur Photovoltaik, doch lassen sich beide Techniken ergänzend anwenden. In den Kollektoren einer Solarthermie-Anlage erhitzt die Sonneneinstrahlung einen flüssigen Wärmeträger. Die Wärmeenergie lässt sich für Heizzwecke und die Warmwasseraufbereitung in einem Haushalt nutzen.

Solarmodul, LED und Fotodiode – Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Die Solarzellen in einem Solarpanel ähneln im Aufbau den für viele Anwendungsfälle genutzten Leuchtdioden und Fotodioden. Sowohl in einer Solarzelle als auch in einer LED basiert die Funktion auf dem Positiv-Negativ-Übergang von Halbleiterkristallen.

Ein Halbleiterkristall besitzt zwei Schichten aus positiv und negativ geladenen Dotierungen und lässt den Strom nur in einer Richtung passieren. Der größte Unterschied zwischen einer Solarzelle und einer LED besteht beim Ausgangsmaterial: Für die pn-Halbleiterdiode in einer Solarzelle wird Silizium als Basis verwendet. In einer LED kommt dagegen eine Galliumverbindung als Halbleiter zum Einsatz.

Fazit

Eine Photovoltaikanlage nutzt zur Stromerzeugung das natürliche Sonnenlicht. Gerade die dezentrale und autonome Art der Stromerzeugung ist für viele ein Anreiz zur Investition in eine Solaranlage. Aber auch beim Klimaschutz kann eine PV Anlage punkten, denn die Ökobilanz fällt bei Anlagen mit Solarplatten durchweg positiv aus. Die langlebigen Solarmodule lassen sich fast rückstandslos recyceln und die hohe Umweltverträglichkeit ist für viele Anwender ein wichtiges Kaufmotiv.

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