Solarmodule

Solarmodule für die individuelle Stromerzeugung – Mit der Kraft der Sonne

Solarmodule, auch Solarpanele oder Photovoltaik-Module bzw. PV-Module genannt, sind die Grundlage der Photovoltaik (PV) und somit die Grundlage der Erzeugung von Strom aus der optischen Sonnenstrahlung. Sie wandeln das energiereiche Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Solarmodule finden einen breiten Anwendungsbereich:

• industriell betriebenen Großanlage in Form von Solarfeldern
• riesige mit Solarzellen belegten Gebäudedächern
• private Solarstromerzeugung auf dem eigenen Hausdach
• Balkonkraftwerk
• Solarpanel für Wohnmobil bzw. Solarpanel für Camping
• in einen mobilen Akku, in Kleidung oder in den Rucksack eingearbeitete Solarzelle

Gerade für letztere Zwecke gibt es heute auch flexible Solarzellen.

Was ist ein Solarmodul?

Eine Solarzelle besteht aus Halbleitermaterial, hauptsächlich Silizium, indem die auftreffende Sonnenstrahlung als elektromagnetische Energieform absorbiert wird. Dadurch wird ein Elektronenfluss im Halbleitermaterial ausgelöst und so ein Strom erzeugt wird. Technisch ausgedrückt handelt es sich hierbei um die Erzeugung von freien Ladungsträgern und die Bildung eines elektrischen Feldes im Halbleiter-p-n-Übergang. Die Solarzelle ist damit technisch eine Stromquelle und daher für die Stromversorgung geeignet.

Wie funktioniert ein Solarpanel?

In Solarmodulen wird hauptsächlich das sichtbare Lichtspektrum verarbeitet, aber auch Teile des Infrarotbereichs können genutzt werden. Eine einzelne Zelle liefert eine Spannung von typisch ,64V. In den allermeisten Anwendungsfällen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, sodass die typischen Systemspannungen von einem Solarpanel 12V, 18V, 36V, 48V, 72V oder 96V betragen. Die Leerlaufspannungen liegen deutlich höher. In Parallelschaltung erhöht sich die Leistung der Solarzellenanordnung.

Einzelzellen finden oft im Bereich des Energy Harvesting ihre Anwendung, indem sie z. B. Sensoren zusätzlich zur eigenen Energieversorgung per Akku oder Kondensator mit Strom versorgen. So kann die Wartung wegfallen bzw. vereinfacht werden. Hierzu hält die Halbleiterindustrie hocheffektive Wandler-Elektronikbausteine bereit, die die Zelle optimal nutzen.

Solarzellen unterscheiden sich hauptsächlich im Grundmaterial, dessen Verarbeitungsart und dem Träger.

Solarzellen-Arten – Dickschicht- & Dünnschichtzellen

Dickschicht-Zellen basieren auf in Scheiben geschnittenen Siliziumblöcken. Hier unterscheidet man polykristalline und monokristalline Zellen. Als hauptsächliches Halbleitermaterial kommt dabei Silizium mit unterschiedlichen Kristallstrukturen zum Einsatz.

Die polykristalline Zelle besteht aus vielen, gut sichtbaren Einzelkristallen, die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Diese Kristallstrukturen entstehen beim Herstellen der als Grundlage für die später daraus geschnittenen Scheiben dienenden Siliziumblöcke. Wenn diese nach dem Gießen abkühlen, bilden sich die charakteristischen Kristallstrukturen. Durch das im Vergleich weniger aufwendige Herstellungsverfahren haben polykristalline Solarzellen zwar ein gutes Preis-Leistungsverhältnis, ihr Wirkungsgrad ist mit derzeit bis zu 18 % allerdings relativ gering. Dazu tragen vor allem die geringe Reinheit des Siliziums im einstufigen Herstellungsvorgang und die Lichtbrechungen durch die unregelmäßige Kristallstruktur bei.

Monokristalline Solarmodule bzw. Solarzellen sind in ihrer Herstellung aufwendiger. Hier werden hauptsächlich in einem weiteren Herstellungsschritt nach der Schmelze einkristalline Stäbe aus der Siliziumschmelze gezogen und zu Wafern verarbeitet. Dadurch wird eine hohe Reinheit des Halbleitermaterials erreicht und damit auch ein höherer Wirkungsgrad (Effizienz) im Bereich von bis zu 25 %.

Die monokristalline Zelle erkennt man an der gleichmäßigen Struktur und an der typischen dunkelblauen oder schwarzen Beschichtung. Die schwarze Beschichtung sorgt für eine bessere Ausnutzung der Infrarotstrahlung. Derartige Zellen sind effizienter. Monokristalline Zellen lassen sich so dünn ausführen, dass sie auch in flexiblen Solarmodulaufbauten verarbeitet werden können wie etwa auf dem Boot oder dem Caravan.

Eine weitere Zellenart ist die amorphe Dünnschichtzelle. Amorphe Dünnschicht-Zellen werden durch das Aufdampfen einer dünnen Siliziumschicht auf einen Träger wie z. B. aus Polyamid hergestellt. Sie sind dadurch leicht und haben ein in der Fläche gleichmäßiges optisches Bild ohne auffällige Strukturen. Ihre Effizienz ist geringer als die der Dickschicht-Zelle, weshalb sie bei gleicher Leistung mehr Fläche benötigen. Jedoch weisen sie dafür ein gutes Schwach- und Streulichtverhalten auf. Das einfache Herstellungsverfahren und der geringere Materialeinsatz gegenüber Dickschichtverfahren führen auch zu günstigeren Preisen.

Sowohl die flexiblen Monokristallin-Zellen als auch die Dünnschichtzellen ermöglichen die perfekte Anpassung an nicht ebene Oberflächen. So findet man sie z. B. bereits in vielen klassischen Dachziegelformen.

Organische Solarzelle (OPV) & die Frage – Wie lange halten Solarmodule?

In der Zukunft wird eine weitere Technologie, die organische Solarzelle (OPV), eine größere Bedeutung erlangen. Die Zelle basiert auf der Kombination verschiedener Metalle an den Elektroden und der dazwischen liegenden Schicht aus organischem Material (Polymer). Der Stromfluss entsteht durch den schnellen Ladungstransport der Elektronen durch das Auftreffen des Lichts zwischen einem sogenannten konjugierten Polymer (Elektronendonator) und Fulleren (geordnet gebildete, hohle Kohlenstoffmoleküle), die den Elektronenakzeptor bilden. Derzeit ist die Effizienz mit etwa 15% noch gering, Forscher arbeiten jedoch intensiv an Effizienzsteigerungen.

Die OPV haben zahlreiche Vorteile:

• keine Verarbeitung von für die Umwelt problematischen Materialien
• der Materialaufwand der auf einer flexiblen Folie aufgetragenen Zelle ist bei der Herstellung gering
• teil- und volltransparente Herstellung und so z. B. Integration in Fensterflächen möglich

Derzeit weisen die OPV aber noch eine geringere Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Technologien auf. Deren Lebensdauer kann bis zu 25 Jahre betragen. Die Hersteller geben diese erwartete Lebensdauer in ihren Datenblättern ebenso an wie die zu erwartende Restleistung nach dieser Laufzeit. Denn alle Zellenarten weisen eine Degradation bzw. eine Alterung auf, die Leistungsverlust über die Laufzeit bedeutet. Hier spielt insbesondere der Begriff PID eine Rolle, eine Wirkungsgradverschlechterung durch Spannungsdifferenz zwischen Solarzelle und Erdung.

Semitransparent können auch Dünnschichtmodule und nicht mit der üblichen Rückseitenfolie ausgeführte monokristalline Module ausgeführt werden. Sie eignen sich damit zum Einsatz bspw. in transparenten Dachflächen oder in Fassaden, indem sie genug Tageslicht in Räume, Carportflächen, Terrassen usw. hineinlassen.

Ähnlich sind die sogenannten Bifacial-Module ausgeführt. Sie tragen keine Rückseitenbeschichtung und können so auch von hinten Licht absorbieren, entweder direkt im Tageslauf der Sonne oder indirekt durch Lichtreflektion an hellen Flächen hinter der Zelle. So können sie auch die Effektivität eines Balkonkraftwerks steigern, indem sie das von der Hauswand reflektierte Licht zusätzlich verarbeiten.

Die Bedeutung der Solarstromerzeugung und deren Demokratisierung

Solarstrom ist eine Form der sogenannten regenerativen Energien. Das heißt, es werden für die laufende Stromerzeugung keine fossilen und endlichen Ressourcen verbraucht, sondern allein die ständig vorhandene Sonnenenergie bzw. Solarenergie und hier zum größten Teil das sichtbare Lichtspektrum genutzt. Der Vorteil: Sonnenlicht gibt es kostenlos. Der Nachteil ist die nicht ständig direkt verfügbare Sonneneinstrahlung bei Dunkelheit oder bedecktem Himmel.

Neben der Großanlage spielen zunehmend kleine (bis 1kwp) und kleinste Solaranlagen eine Rolle. Sie erlauben dadurch eine Demokratisierung der Solarstromerzeugung. Große Bedeutung wird dabei Solarmodulen für Balkone bzw. den sogenannten Balkonkraftwerken zugeschrieben. In dieser Form der Solarmodule werden ein oder mehrere Solarzellen direkt mit einem Wechselrichter kombiniert, der die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung in die Netz-Wechselspannung umwandelt. Diese wird direkt über einen normalen Schukostecker oder einen besonderen Sicherheitsstecker (Wieland-System) in das Hausnetz eingespeist. Der so erzeugte Strom wird im Gegensatz zur größeren Einspeiseanlage in aller Regel direkt selbst im Haus verbraucht und kann so z. B. den Grundbedarf ständig laufender Stromverbraucher wie IT-Technik, Kühlgerät etc. decken.

Die Einspeisung ist im Wesentlichen an drei technische Grundbedingungen gebunden:

• Die eingespeiste Leistung darf 6 W nicht überschreiten.
• Der einspeisende Wechselrichter muss bestimmten technischen Bedingungen entsprechen (die wichtigste ist der NA-Schutz).
• Der Stromzähler der Wohnung muss eine Rücklaufsperre besitzen.

Zudem gibt es Meldepflichten der Anlage gegenüber dem Netzbetreiber und dem Markstammregister des BMWi. Der Selbstbau, Aufbau und Anschluss eines solchen Mini-Kraftwerks ist sehr einfach, da komplett konfektionierte Anlagen inklusive Montage- und Anschlussmaterial verfügbar sind.
 
Der Begriff Balkonkraftwerk ergab sich im Laufe der Entwicklung, da diese Art der Stromerzeugung zunächst im Mietwohnungsbereich anderer Länder Einzug gehalten hat – und hier insbesondere an oder auf Balkonen. Dabei werden Solarpanele direkt in Balkonumrandungen oder an den Hauswänden befestigt bzw. auf dem Balkon aufgestellt. Genauso gut kann man diese Solarpanele auf dem Boden oder einem Garagendach aufstellen oder direkt in eine Fassade integrieren. Außerhalb des Eigenheims ist die Installation allerdings an die Genehmigung von Vermietern, Miteigentümern und an lokale Bestimmungen wie z. B. den Denkmalschutz gebunden.