Die Bedeutung von Photovoltaikmodulen für erneuerbare Energien nimmt stetig zu. Solarstrom aus Photovoltaikmodulen ist eine zukunftsfähige Technologie, um den wachsenden Strombedarf auf umweltfreundliche Weise zu decken. Immer mehr private Haushalte und Unternehmen investieren in Photovoltaikanlagen auf ihren Dächern, um sauberen Solarstrom zu produzieren und unabhängiger von steigenden Strompreisen zu werden. Der Ausbau der Solarenergie ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Solarmodule wandeln mithilfe des photovoltaischen Effekts Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Dabei fallen weder Treibhausgase noch andere Schadstoffe an. Photovoltaik ist eine Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung. In diesem Beitrag werden die Unterschiede zwischen den gängigsten Modultypen Mono- und Polykristallin erläutert.
Funktionsweise von Solarzellen
Solarzellen wandeln Licht direkt in elektrische Energie um. Sie bestehen aus zwei Schichten aus unterschiedlich dotiertem Silizium. Die obere Schicht, die dem Licht zugewandt ist, ist negativ dotiert (n-Dotierung). Die untere Schicht ist positiv dotiert (p-Dotierung). An der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld aus.
Trifft Licht auf die Solarzelle, werden Elektronen aus dem p-n Übergang gelöst und in die Leitungsbahn der n-Schicht gedrückt. Von dort fließen sie über einen äußeren Stromkreis zur p-Schicht, wo sie Löcher auffüllen. So wird aus Licht elektrischer Strom erzeugt. Je stärker die Solarstrahlung, desto mehr Elektronen können gelöst werden und desto höher ist der erzeugte Strom.
Herstellungsverfahren
Die Herstellung von Photovoltaik-Modulen beginnt mit dem Schmelzen von Silizium zu Blöcken. Für monokristalline Solarzellen wird reines Silizium verwendet. Der geschmolzene Siliziumblock wird dann langsam abgekühlt, wodurch sich ein Einkristall bildet. Dieser Einkristall wird in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten.
Für polykristalline Solarzellen wird minderwertigeres Silizium verwendet. Dieses wird ebenfalls geschmolzen und in Blöcke gegossen. Allerdings bildet sich beim Abkühlen kein Einkristall, sondern ein Block aus vielen kleinen Kristallen. Dieser Polykristallin-Block wird dann wie der Monokristallin-Block in dünne Wafer geschnitten.
Die Wafer werden anschließend zu Solarzellen weiterverarbeitet und in Module eingebaut. Das Herstellungsverfahren bestimmt die Kristallstruktur und damit die Effizienz der fertigen Solarzelle.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Kristallblock gezogen. Bei der Herstellung wird ein Siliziumblock so bearbeitet, dass ein stabiler monokristalliner Zylinder entsteht. Aus diesem Zylinder werden dann sehr dünne Scheiben gesägt.
Das besondere Kennzeichen von monokristallinen Solarzellen ist ihre einheitliche dunkelblaue bis schwärzliche Färbung. Je dunkler die Zelle ist, desto höher ist ihr Wirkungsgrad. Monokristalline Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 15-22%. Sie können Sonnenlicht besonders effizient in Elektrizität umwandeln.
Der hohe Wirkungsgrad ist ein großer Vorteil von monokristallinen Modulen. Allerdings sind sie auch teurer in der Herstellung als polykristalline Solarzellen. Für begrenzte Dachflächen, bei denen es auf jeden Quadratzentimeter ankommt, sind monokristalline Module aber die bessere Wahl.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen werden aus Siliziumblöcken geschnitten. Im Gegensatz zu monokristallinen Zellen enthalten sie kein reines Silizium, sondern viele kleine Siliziumkristalle.
Bei der Herstellung werden kleine Siliziumstücke in Blöcke gepresst und geschmolzen. Dabei entsteht eine kristalline Struktur mit Unregelmäßigkeiten und Korngrenzen zwischen den einzelnen Kristallen.
Aus diesen Blöcken werden dann Scheiben gesägt, die zu Solarzellen weiterverarbeitet werden. Je unregelmäßiger die Kristallstruktur, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Zelle. Allerdings sind polykristalline Zellen deutlich kostengünstiger in der Herstellung als monokristalline.
Der Preisvorteil macht polykristalline Module besonders attraktiv bei großen Solaranlagen, wo es vor allem auf eine kosteneffiziente Stromerzeugung ankommt. Für Hausdächer werden häufig die leistungsstärkeren monokristallinen Module eingesetzt.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Er ist ein wichtiges Kriterium beim Vergleich von Solarmodulen.
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristall und haben daher eine geordnete atomare Struktur. Dies ermöglicht einen Wirkungsgrad von etwa 15-20%.
Polykristalline Solarzellen werden aus vielen kleinen Silizium-Kristallen gefertigt. Dadurch ist ihre atomare Struktur ungeordneter und der Wirkungsgrad geringer als bei Monokristallin-Modulen. Er liegt üblicherweise zwischen 10-15%.
Der höhere Wirkungsgrad der monokristallinen Module bedeutet, dass mit der gleichen Fläche mehr Strom erzeugt werden kann. Bei begrenztem Platz auf dem Dach profitiert man also von der höheren Effizienz der Monokristallin-Module.
Schwachlichtverhalten
Monokristalline Solarzellen zeigen deutliche Vorteile gegenüber polykristallinen Zellen bei diffuser Einstrahlung und schwächerem Lichteinfall. Durch ihren geordneten Aufbau können die Elektronen in der kristallinen Siliziumstruktur freier fließen, was zu höheren Wirkungsgraden bei schwächerer Sonneneinstrahlung führt.
Polykristalline Zellen bestehen aus vielen kleinen Siliziumkristallen, zwischen denen Unregelmäßigkeiten in der Struktur auftreten können. Diese wirken sich negativ auf den Wirkungsgrad bei diffuser Einstrahlung aus. In der Praxis bedeutet dies, dass monokristalline Module bereits früher am Tag Strom erzeugen und ihre Nennleistung erreichen. Auch bei bewölktem Himmel liefern sie mehr Ertrag.
Der Vorteil der geordneten Atomstruktur macht monokristalline Zellen daher zur besseren Wahl für Standorte, die viel diffuses Licht oder Dämmerungsstunden aufweisen. Dachflächen, die nicht optimal zur Sonne ausgerichtet werden können, profitieren ebenfalls von den überlegenen Schwachlicht-Eigenschaften der Mono-Module.
Preis pro Watt Peak Leistung
Die Wahl zwischen mono- und polykristallinen Modulen hat auch einen entscheidenden Einfluss auf die Kosten. Polykristalline Module sind in der Herstellung günstiger und damit auch beim Endkunden preiswerter erhältlich.
Der Preis für polykristalline Module liegt im Schnitt bei ca. 0,35 Euro pro Watt Peak. Monokristalline Module sind mit einem Preis von etwa 0,45 Euro pro Watt Peak deutlich teurer.
Bei gleicher Anlagenleistung resultiert daraus ein Preisunterschied von mehreren hundert oder sogar über tausend Euro zwischen einer Mono- und einer Poly-Anlage.
Polykristalline Module eignen sich daher gut für große Solaranlagen, wo es auf eine kostengünstige Lösung mit vielen Modulen ankommt. Wer bereit ist, mehr zu investieren, erhält mit Monomodulen eine höhere Effizienz.
Modulgrößen
Die gängigsten Modulgrößen sind 60, 72 und 96 Zellen.
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60-Zellen-Module sind etwa 1,60 m x 1,00 m groß. Sie liefern eine Nennleistung von ca. 300 Watt (Wp).
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72-Zellen-Module sind etwa 1,60 m x 1,20 m groß. Sie liefern eine Nennleistung von ca. 360 Watt (Wp).
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96-Zellen-Module sind etwa 1,60 m x 1,60 m groß. Sie liefern eine Nennleistung von ca. 400 Watt (Wp).
Die Zellanzahl bestimmt die Größe und Leistung des Moduls. Module mit mehr Zellen sind größer und leisten mehr. Allerdings sind größere Module auch schwerer, was die Montage erschwert. Kleine 60-Zellen-Module lassen sich flexibler auf dem Dach verteilen.
Die Wahl der Modulgröße hängt vom Platzangebot und der gewünschten Gesamtleistung der Anlage ab. Oft kombiniert man Module in unterschiedlichen Größen.
Lebensdauer
Die Lebensdauer von Photovoltaikmodulen ist ein wichtiger Faktor bei der Wahl des richtigen Moduls. Sowohl mono- als auch polykristalline Module können eine sehr lange Lebensdauer von über 20 Jahren erreichen.
Die Lebensdauer wird dabei vor allem durch die Qualität der eingesetzten Materialien und die Verarbeitung bestimmt. Bei hochwertigen Modulen aus Deutschland oder Japan sind Lebensdauern von 25-30 Jahren keine Seltenheit.
Wichtig für die Haltbarkeit ist auch eine fachgerechte Installation der Module, damit Umwelteinflüsse wie Wind, Schnee oder Hagel den Modulen nichts anhaben können. Regelmäßige Reinigung und Wartung erhöhen zusätzlich die Lebensdauer.
Mit beiden Modultypen lassen sich also problemlos Solaranlagen realisieren, die 20 Jahre und länger zuverlässig Strom erzeugen. Die Lebensdauer stellt daher kein entscheidendes Kriterium dar, wenn es um die Wahl zwischen Mono- und Polycrystalline Modulen geht.
Montageort
Solarmodule lassen sich prinzipiell an verschiedenen Orten montieren. Die mit Abstand häufigste Anwendung ist die Installation von Photovoltaik-Modulen auf Hausdächern. Sowohl mono- als auch polykristalline Module eignen sich hervorragend für den Einsatz auf Schräg- oder Flachdächern.
Die Module können mit einer Unterkonstruktion auf dem Dach montiert werden, wobei für die Ausrichtung und Neigung die optimale Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden sollte. Meist erfolgt die Montage nach Süden, um die Energieausbeute zu maximieren.
Neben der Anbringung auf Dächern ist auch eine Installation an Hausfassaden oder als freistehende Anlage möglich. Insbesondere in der Landwirtschaft werden Photovoltaik-Anlagen häufig als Solarkraftwerke mit nachgeführten Modulen umgesetzt.
Unabhängig von der Montageart erfüllen mono- und polykristalline Module zuverlässig ihren Zweck der sauberen Stromerzeugung durch Sonnenenergie. Ihre Robustheit und Wetterfestigkeit machen sie optimal für den Einsatz auf Dachanlagen.
Flächenbedarf
Bei der Entscheidung für mono- oder polykristalline Module spielt der zur Verfügung stehende Platz eine wichtige Rolle.
Monokristalline Solarmodule haben aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades eine höhere Leistung pro Quadratmeter. Bei begrenzter Dachfläche oder kleinen Anlagengrößen können daher mit Mono-Modulen mehr Kilowattstunden pro Jahr erzeugt werden.
Wenn genügend Platz vorhanden ist, beispielsweise bei Freiflächenanlagen, können auch preisgünstigere polykristalline Module verwendet werden. Durch die geringere Flächeneffizienz wird hier mehr Platz benötigt, um die gleiche Leistung wie mit Mono-Modulen zu erreichen.
Insgesamt empfehlen sich bei begrenzter zur Verfügung stehender Fläche monokristalline Solarmodule, da mit derselben Anlagengröße mehr Ertrag erzielt werden kann. Bei sehr großen Dachflächen oder Freiflächenanlagen können auch kostengünstigere polykristalline Module verwendet werden.
Weitere Modularten
Neben Mono- und Polykristallinen Modulen gibt es noch weitere Solarmodule, die sich in Aufbau und Eigenschaften unterscheiden:
Dünnschichtmodule
Bei Dünnschichtmodulen wird eine dünne Schicht aus Photovoltaik-Material auf ein Trägermaterial aufgedampft oder aufgetragen. Dies reduziert den Materialverbrauch deutlich. Häufig verwendete Materialien sind amorphes Silizium (a-Si), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe).
Dünnschichtmodule zeichnen sich durch eine homogene dunkle Oberfläche aus. Sie haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Module, können aber kostengünstiger produziert werden. Dünnschichtmodule eignen sich auch für gebogene Oberflächen.
CIGS-Module
CIGS-Solarzellen bestehen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Sie kombinieren eine hohe Effizienz mit günstigen Produktionskosten. Mit Wirkungsgraden um 20% können sie fast an mono-Si Solarzellen heranreichen.
CIGS eignet sich sowohl für kleine als auch großflächige Anlagen. Nachteilig ist die Abhängigkeit von den Metallen Indium und Gallium, deren Vorkommen begrenzt sind.
Hybrid-Module
Bei Hybrid-Modulen kombiniert man dünne Silizium-Solarzellen mit einer dünnen Schicht aus amorphem Silizium. So lässt sich der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen verbessern.
Hybrid-Module zeichnen sich durch eine homogene schwarze Oberfläche mit hervorragendem Ertrag aus. Sie sind allerdings teurer als Standard-Dünnschichtmodule. Die Kombination macht sie interessant für Anwendungen mit begrenzter Fläche.
Fazit
Sowohl monokristalline als auch polykristalline Solarmodule haben sich in der Praxis bewährt und eignen sich sehr gut für die Installation auf privaten Hausdächern. Beide Modularten zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer von 20-30 Jahren und hohe Zuverlässigkeit aus.
Die Entscheidung zwischen Mono- und Polykristallin hängt von den örtlichen Gegebenheiten und den eigenen Präferenzen ab. Bei begrenzter Dachfläche erreicht man mit den leistungsstärkeren monokristallinen Modulen eine höhere Gesamtleistung. Polykristalline Module sind kostengünstiger und daher oft die erste Wahl bei großen Freiflächenanlagen.
Insgesamt sind die Unterschiede in puncto Haltbarkeit und Energieertrag zwischen den beiden Technologien in den letzten Jahren immer geringer geworden. Sowohl mono- als auch polykristalline Module sind eine gute Investition in die eigene Solarstromversorgung und leisten einen wertvollen Beitrag zur Energiewende.
