Mit Hilfe von Photovoltaik wird solare Strahlungsenergie in Elektrizität umgewandelt. Grundsätzlich bestehen Photovoltaikmodule aus mehreren sog. Solarzellen, welche die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischen Strom umwandeln.

Solarzellen werden in unterschiedliche Typen unterteilt, deren Unterschiede z.B. in der Bauart, in der Effizienz und in den jeweiligen Einsatzbereichen bestehen.

Folgende Kenngrößen werden zur Beschreibung von PV-Anlagen herangezogen:

Nennleistung: Die Leistung einer PV-Anlage wird in Kilowatt Peak (kWp) angegeben. Das ist die Leistung der Solarmodule unter genormten Testbedingungen (Standard-Test-Bedingungen STC) von 1000 W/m² Einstrahlung; Luftmasse von 1,5 AM[1] und einer Modultemperatur von 25°C.

Spezifischer Ertrag: Unter dem spezifischen Energieertrag wird die gesamte Energieausbeute verstanden, die innerhalb eines Zeitraums auf die Nennleistung in kWh/kWp bezogen ist.

Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der auf das Solarmodul auftreffenden Strahlungsenergie in elektrische Leistung umgewandelt werden kann.

Performance Ratio: Die Performance Ratio ist ein Qualitätsindikator. Er beschreibt das Verhältnis zwischen tatsächlich erzieltem Ertrag und dem Ertrag, der unter Normbedingungen erzielt werden kann.

Im Folgenden werden Kennzahlen, Eigenschaften und Einsatzbereiche einiger Modultypen vorgestellt.

Monokristallin

Die monokristallinen Zellen weisen meist eine quadratische Form auf, wobei das Kantenmaß etwa 10 bis 20 cm beträgt.[2] Seltener gibt es auch runde monokristalline Zellen, welche einen Durchmesser von 12,5 bzw. 15 cm haben. Die hauptsächliche Ursache für die Seltenheit der runden Zellen ist, dass sie im Gegensatz zu den rechteckigen Zellen eine geringere Flächenausnutzung aufweisen und der damit zusammenhängende Wirkungsgrad geringer ist.[3]

Bei der Herstellung von monokristallinen Solarzellen findet das Czochralski-Verfahren Anwendung. Hierbei wird Silizium bei 1.420°C zum Schmelzen gebracht. Aus der hochreinen Siliziumschmelze wird danach ein runder Einkristallstab gezogen. Daraus werden anschließend 0,3 mm dünne, quadratische Scheiben, so genannte Wafer, gesägt. Durch eine Strukturätzung kann die Lichtaufnahme verbessert werden. Nach dem Aufbringen der Vorder- und Rückseitenkontakte wird eine Entspiegelungsschicht aufgetragen, damit die Lichtverluste durch Reflexion reduziert werden. Die eigentlich silbergraue Solarzelle erscheint dadurch dunkelblau bis schwarz. Die Zellen werden miteinander verschaltet und in ein Modul zusammengefasst, das in der Regel aus einer vorderen und hinteren Abdeckung aus Glas oder Folie besteht.[4]

Monokristalline Solarzellen weisen typische Wirkungsgrade von ca. 19 % auf.[5] Durch ihre höheren Wirkungsgrade im Vergleich zu anderen Solarzellentypen (vgl. Tabelle 1-1) ist ihr Einsatz vorrangig dort, wo nur begrenzte Flächen zur Verfügung stehen.

Polykristallin

Polykristalline Zellen sind quadratisch und haben eine Kantenlänge von etwa 10 bis 15 cm. Zu erkennen sind sie an der unterschiedlich blau schimmernden Kristallstruktur.

Zur Herstellung von polykristallinem Silizium gibt es zwei verschiedene Verfahren. Zum einen das Blockgießverfahren und zum anderen das Edge-defined Film-fed Growth (EFG)-Verfahren. Das so genannte Blockgießverfahren wird am häufigsten angewendet. Hierbei wird das zuvor im Vakuum auf 1.500°C erhitzte Silizium in einer Form kontrolliert abgekühlt. Die dadurch entstehenden polykristallinen Siliziumblöcke von 40 x 40 x 30 cm, werden dann in 0,3 mm dünne Wafer gesägt.[6] Nachteilig ist hierbei der im Gegensatz zur monokristallinen Solarzelle etwas geringere Wirkungsgrad. Allerdings ist es möglich, größere Zellen herzustellen. Des Weiteren ergeben sich durch das einfachere Blockgießverfahren geringere Kosten bei der Herstellung.[7]

Polykristalline Module weisen in der Regel einen typischen Wirkungsgrad von ca. 17 % auf.⁵ Der niedrigere Wirkungsgrad im Vergleich zu monokristallinen Solarzellen führt zu einem höheren Flächenbedarf, um gleiche Leistungen zu erzielen.

Dünnschicht

Dünnschichtmodule bestehen in der Regel aus folgenden Halbleiterwerkstoffen: Amorphes Silizium (a-Si), Kadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). [8] Des Weiteren hat sich die so genannte mikromorphe Tandemzelle auf dem Markt etabliert. Während die dünne obere Zelle aus amorphem Silizium das blaue Licht absorbiert, absorbiert die dickere untere Zelle aus mikrokristallinem Silizium das rote und nahinfrarote Licht, so dass diese so genannte Tandemzelle einen größeren Bereich des Sonnenspektrums abdecken kann. [9]

Die Herstellung von Dünnschichtzellen basiert auf einem völlig anderen Konzept. Im Gegensatz zu den Verfahren der kristallinen Solarzellen werden hier nur noch Temperaturen von 200°C bis 700°C benötigt. Im Herstellungsprozess ist weiterhin bereits die elektrische Verbindung der Zellen integriert. Es müssen also nicht erst alle Zellen nach und nach miteinander verlötet werden.[10] Dünnschichtmodule können verhältnismäßig einfach hergestellt werden, sind flexibel und biegsam, verhältnismäßig leicht und bedürfen keiner typischen Trägermodule, wie es bei Mono- und Polykristallinen Modulen der Fall ist. Stattdessen werden die Siliziumkristalle auf ein Trägermaterial – z.B. Kunststoff, Metallblech oder Glas – aufgedampft. Sie können so beispielsweise als Rollbahnen ausgeführt und aufgebracht werden oder in Spezialanwendungen (z.B. tragbare Module) eingesetzt werden.

Ein Nachteil sind die je nach Herstellungsverfahren geringeren Wirkungsgrade von 6 – 16 %. Im Vergleich zu mono- und polykristallinen Modulen liegt bei gleicher angestrebter Leistung durch den geringeren Wirkungsgrad ein höherer Flächenbedarf vor (vgl. Tabelle 1-1).

In weiteren Abschnitten dieses Leitfadens finden sich die wichtigsten Planungsparameter von Photovoltaikanlagen sowie der konkrete Planungsprozess von Dach- und Fassadenanlagen.

Vergleich der Systeme

In der Tabelle 1.1 sind alle zuvor genannten Modularten inkl. deren Einsatzzweck, Systempreis, Nennleistung und deren Wirkungsgrad gegenübergestellt.

Tabelle 1-1 Vergleich der Modularten (bei STC 1.000 W/m² Globaleinstrahlung, 25 °C Außentemperatur, Airmaß 1,5 und optimaler Ausrichtung)

Modul	Einsatzzweck	Preis[11]	Nennleistung	Wirkungsgrad
Monokristallin	Dach-, Freiflächen- und Fassadenanlagen bei geringer Flächenverfügbarkeit	56 €/m²	190 W/m²	19 %
Polykristallin	Dach-, Freiflächen- und Fassadenanlagen	41 €/m²	170 W/m²	17 %
Dünnschicht-170modul	Dach-, Freiflächen- und Fassadenanlagen [12]; Spezialanwendungen	€/m²	60 – 160 W/m²	6 – 16 %

[1] Gibt an, wie viel Luftmasse vom Sonnenlicht durchdrungen werden muss.

[2] Vgl. Seltmann, T.: Photovoltaik: Strom ohne Ende, – Netzgekoppelte Solarstromanlagen optimal bauen und nutzen -, 4. vollständig überarbeitete Auflage 2009, S.63.

[3] Vgl. Hanselhuhn, R.: Photovoltaik: – Gebäude liefern Strom -, 5., vollständig überarbeitete Auflage 2005, S.14.

[4] Vgl. Seltmann, T.: Photovoltaik: Strom ohne Ende, – Netzgekoppelte Solarstromanlagen optimal bauen und nutzen -, 4. vollständig überarbeitete Auflage 2009, S.63.

[5] (Quaschning, 2018 )

[6] Vgl. Hanselhuhn, R.: Photovoltaik: – Gebäude liefern Strom -, 5., vollständig überarbeitete Auflage 2005, S.16.

[7] Vgl. Seltmann, T.: Photovoltaik: Strom ohne Ende, – Netzgekoppelte Solarstromanlagen optimal bauen und nutzen -, 4. vollständig überarbeitete Auflage 2009, S.64.

[8] Jehle, C.: Photovoltaik: – Strom aus der Sonne -, 5. völlig neu bearbeitete Auflage, Heidelberg 2008, S. 9-10.

[9] Vgl. diko/gb, Mikromorphes Silizium wird käuflich. In: Solarthemen, Der Infodienst für regenerative Energie, 18.12.2008, Heft 294, S.4.

[10] Vgl. Hanselhuhn, R.: Photovoltaik: – Gebäude liefern Strom -, 5., vollständig überarbeitete Auflage 2005, S.19.

[11] (PHOTON, 2021)