Solarmodule - Herzstück jeder PV-Anlage

Wer Sonnenenergie in Strom umwandeln will, der braucht Solarmodule. Die Panele bestehen aus miteinander verbundenen Solarzellen funktionieren immer nach dem gleichen Prinzip. Welche Solarmodule die richtigen sind, hängt von Einsatzort, Budget und anderen Faktoren ab.
Inhaltsverzeichnis
Lesezeit ca.

    Solarmodule oder Photovoltaikmodule sind das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Sie enthalten parallel oder in Serie geschaltete Solarzellen, die aus Sonneneinstrahlung Energie erzeugen gewinnen. Solarmodule sind meist plane Platten, weshalb man auch von Solarpaneelen spricht. Das niederdeutsche und niederländische Wort „Paneel“ steht für „Tafel“. Der entsprechende englische Ausdruck ist „solar panel“. Neben diesen stabilen „Tafeln“ gibt es auch flexible Module, die sich biegen lassen.

    Wie sind Solarmodule aufgebaut?

    Dickschicht-Solarmodule bestehen aus mehreren Solarzellen, die durch schmale Lötbändchen zu einem Strang (engl.: String) verbunden werden. Zwischen den Strängen werden Querverbinder angebracht, die den Strom zu den Anschlussdosen führen.

    Zwei Kunststofffolien, die durch Erhitzen fest miteinander und mit den Solarzellen verbunden (laminiert) werden, schützen die Konstruktion vor Feuchtigkeit und aggressiven Gasen. Die ursprünglich milchig-weißen Folien werden dem Laminieren durchsichtig.

    Zum mechanischen Schutz wird das Modul nach oben mit einer Sicherheitsglasscheibe versehen und in einen stabilen Aluminiumrahmen eingefasst. In diesem Falle spricht man von Glas-Folie-Modulen. Module, bei denen auch die Rückseite durch eine Glasscheibe geschützt wird, bezeichnet man als Glas-Glas-Module. Der große Vorteil der zweiten Glasschicht liegt darin, dass sich die Solarzellen in der sogenannten neutralen Faser befinden und somit bei einer Durchbiegung nicht mechanisch beansprucht werden. Durch Wind- oder Schneelast kann es sonst zu einem Bruch der Zellen zum Abreißen der Zellverbinder kommen.

    Dünnschicht-Solarmodule entstehen dadurch, dass der Photovoltaik-Halbleiter auf eine Trägerschicht, meist 1 bis 2 mm dickes Glas, abgeschieden werden abgeschieden wird. Diese aktive Schicht ist nur wenige Mikrometer (100stel Millimeter) dick. Zudem wird das Modul in den meisten Fällen nicht gerahmt. Dementsprechend leicht aber auch empfindlich sind diese Dünnschicht-Module.

    Wie werden Solarmodule hergestellt?

    Vom Silizium zur Solarzelle

    Grundstoff aller Solarzellen ist Silizium, ein sehr häufig vorkommendes chemisches Element. Die Erde besteht zu ca. 15 Gewichts-% aus dem Halbmetall und seinen Verbindungen. Um Silizium für die Solarindustrie nutzbar zu machen, durchläuft es einen aufwändigen Reinigungsprozess. Im ersten Schritt wird durch die Reduktion von Siliziumoxid mit Kohlenstoff Rohsilizium hergestellt. Dies Rohsilizium wird durch Überführung in Trichlorsilan und verschiedene Destillationsstufen gereinigt und dann in Silizium und Chlorwasserstoff (HCl) zersetzt.

    Das hochreine Silizium wird dann eingeschmolzen und zu Blöcken gegossen (polykristalline Module) oder daraus ein sogenanntes Einkristall gezüchtet (monokristalline Module). Aus den Blöcken schneidet man Scheiben (Wafer) mit einer Dicke von unter einem Millimeter.

    Diese Wafer durchlaufen zuerst diverse Bäder, bei denen ihre Oberfläche angeraut und chemisch gereinigt wird.

    Im nächsten Schritt werden die Wafer dotiert. Das heißt, in das Siliziumgitter werden Fremdatome eingebaut, die einen Ladungsunterschied zwischen verschiedenen Schichten bewirken (s. Funktion der Solarzelle). Um das Sonnenlicht möglichst effektiv nutzen zu können, wird auf dem Wafer eine Antireflexionsschicht aufgebracht, die die Farbe der Zelle bestimmt. Anschließend werden die Leitungsbahnen im Siebdruckverfahren mit Silberpaste auf die Wafer gedruckt und dann durch Einbrennen verfestigt. Im Zuge dieses Prozessschrittes werden auch Lösungsmittelreste aus der Zelle ausgetrieben.

    Das Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Zellen arbeitet mit Wasserstoff. Der wird mit Silizium oder Magnesiumsilicid zu Silan umgesetzt. Die gasförmige Verbindung wird dann auf der Oberfläche eines Trägermaterials bei niedrigen Temperaturen zersetzt und es scheidet sich amorphes Silizium ab.

    Der Preiskampf in der Solar-Industrie hat dazu geführt, dass die Zellen heutzutage hauptsächlich nur noch in Asien hergestellt werden. Europäische Modulhersteller lassen sich mit diesen Solarzellen beliefern, um diese dann in ihren Modulen zu verbauen, wie im Folgenden dargestellt.

    Von der Solarzelle zum Modul

    Um sicherzugehen, dass die Zellen einwandfrei arbeiten, werden diese auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft. Solarzellen, die die Tests bestanden haben, werden im „Stringer“ zu einer Reihenschaltung, einem sogenannten String, zusammengefügt.

    Die Glasplatten, die die Zellen schützen, werden vor der Montage gründlich gewaschen. Auf dem trockenen Glas wird eine EVA-Folie (Ethylen-Vinylacetat) positioniert und darauf die Strings. Die Strings werden dann mit Leiterbahnen verbunden. Im nächsten Schritt werden eine weitere EVA-Folie und dann die Rückseitenfolie (Glas-Folie-Module) oder ein Rückseiten-Glas (Glas-Glas-Module) aufgelegt.

    Das vorbereitete Modul geht dann in ein Laminiergerät, in dem die Folien mit den anderen verschmolzen werden. Bei Temperaturen um 150 °C vernetzt die Folie und bildet eine gas- und feuchtigkeitsdichten Verbund, der die Zellen komplett umhüllt.

    Nach dem Abkühlen erhält das Modul einen Profilrahmen aus Aluminium. Ein Klebeband um die Kanten des Modulverbundes sorgt dafür, dass dieser fest im Rahmen sitzt. Alternativ wird ein Flüssigkleber verwendet. Danach werden die Einzelteile des Rahmens dauerhaft miteinander verbunden.

    Kostenloses Angebot von SOLARWATT
    Fordern Sie direkt beim größten deutschen Systemanbieter für PV Ihr persönliches Angebot an und lassen Sie sich Kosten und Erträge für Ihr Projekt berechnen.

    An die Kontakte auf der Rückseite des Moduls wird eine Anschlussdose montiert und diese dann aufgeklebt. Zuletzt werden die leitenden Teile noch mit dem Modul verlötet oder geklemmt.

    Abschließend erfolgt die Qualitätskontrolle des Moduls. Beim sogenannten Flash-Test werden die Module dem Blitz einer Hochleistungs-LED ausgesetzt und eine Kennlinie, d.h. die Leistungsdaten aufgenommen. Mittels Elektrolumineszenz-Test lassen sich mit einer hochauflösenden Kamera Brüche und Mikrorisse in der Zelle feststellen. Dieser Test wird teilweise bereits nach dem Löten der Zellen zu Strings durchgeführt. 

    Mittels Thermografie-Aufnahmen lassen sich zudem Hotspots (Fehler aufgrund lokaler Überhitzung) und andere Unregelmäßigkeiten auffinden. 

    Heutzutage sind die Prozesse selbstverständlich weitestgehend automatisiert. Die wichtigsten Schritte der Produktion sieht man in diesem Video aber deutlich besser.

    Welche Leistung bringen Solarmodule?

    Die Leistung eines Solarmoduls ergibt sich durch die Zusammenschaltung der einzelnen Solarzellen. Insofern ist sie abhängig von der Leistung der einzelnen Zellen und ihrer Anzahl. Bei in Reihe geschalteten Solarzellen bestimmt die schwächste Zelle die Gesamtleistung des Moduls.

    Abhängig von der Anzahl der verwendeten Zellen ändert sich auch die Größe des Moduls. Bei der Auswahl von Solarmodulen ist die angegebene Leistung des Einzelmoduls somit durch seine Fläche zu teilen, um vergleichbare Werte zu erhalten.

    Abhängig ist die Modulleistung selbstverständlich auch von der Art der verwendeten Zellen, denn die eingesetzten Materialien bestimmen, mit welchem Wirkungsgrad die Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Als besonders leistungsfähig gelten monokristalline Solarzellen. Deren Wirkungsgrad kann durch zusätzliche technische Anpassungen der Zelle erhöht werden. So haben sich in den letzten Jahren sogenannte PERC-Zellen am Markt durchsetzen können, bei denen die Zellrückseite mit einer reflektierenden Schicht versehen wird, was eine höhere Lichtausbeute ermöglicht. Vielversprechend sind auch Tandem-Solarzellen, bei denen verschiedene Halbleitermaterialien übereinander geschichtet sind. Die Schichten absorbieren unterschiedliche Teile des Lichtspektrums, was eine bessere Ausbeute und damit einen deutlich höheren Wirkungsgrad zur Folge hat. Bisher ist das Herstellungsverfahren für diese Solarzellen aber noch zu kostenintensiv, weshalb sie nur bei Spezialanwendungen wie Satelliten zur Anwendung kommen.

    Die Leistungen der ersten Solarmodule lagen noch deutlich unter 100 Wp, heute sind 300 Wp und mehr der Standard. Die vom Hersteller angegeben Leistungen werden in standardisierten Tests gemessen, um einen Vergleich möglich zu machen. Diese international gültigen Standard-Testbedingungen (engl. Standard Test Conditions, STC) legen z.B. eine Außentemperatur von 25 °C, eine exakte Bestrahlungsstärke und einen definierten Einfallswinkel fest. Unter realen Bedingungen auf dem Dach weichen die Leistungswerte eines Solarmoduls von den Herstellerangaben ab.

    Wo werden Solarmodule eingesetzt?

    Solarmodule wurden bereits Ende der 1950er Jahre für die Raumfahrt entwickelt, um Satelliten mit Strom zu versorgen. Auch heute noch werden die besonders effektiven und teuren Module dort eingesetzt.

    Solarmodule im Einsatz im Weltraum

    Die Ölkrise in den 1970er Jahren gab den entscheidenden Anstoß, Produkte für alltägliche Anwendungen herzustellen. Anfangs wurden kleine elektrische Geräte wie Taschenrechner oder Armbanduhren mit wenigen Solarzellen für die Stromversorgung entwickelt. Auch für Signalanlagen oder Parkautomaten fanden Solarzellen bald Verwendung. Parallel kam es zu einem Aufbau photovoltaischer Anlagen für die Energieversorgung. Für die großflächigen Solarparks wurden und werden vor allem günstige Dünnschichtmodule eingesetzt, die man auf einem Gestell „aufständert“.

    Die Idee einer dezentralen Energieversorgung, bei der jedes Haus mit einer eigenen Photovoltaikanlage ausgestattet ist, kam in den 1980er Jahren auf und gewann zunehmend an Bedeutung. Entscheidende Impulse für die praktische Umsetzung dieser Idee in Deutschland gaben das 1.000-Dächer-Programm (1990) und das 100.000-Dächer-Programm (1999 - 2003) sowie das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2000.

    Heutzutage werden weltweit Solarmodule gebaut und eingesetzt. Dank sinkender Preise und einer ständigen Weiterentwicklung der Module hat sich die Photovoltaik mittlerweile vielerorts als eine Säule einer nachhaltigen, ressourcenschonenden Energieversorgung etabliert. In Deutschland beträgt Ihr Anteil an der Deckung des Strombedarfs aktuell etwa 9 Prozent.

    Für private Anwendungen und im Kleingewerbe werden die Solarmodule meist auf dem Hausdach angebracht oder in die Dachhaut eingebaut (Aufdach- und Indach-Anlagen). Ist die Fläche dort knapp oder bereits belegt, bieten Carports, Hallendächer, Terrassen- oder Parkplatzüberdachungen zusätzliches Photovoltaik-Potential. Auch die Fassaden von Gebäuden eignen sich für die Installation von Modulen. Für die kommerzielle Nutzung werden zudem schwimmende PV-Anlagen auf Baggerseen und anderen Wasserflächen immer interessanter.

    Bisher konnten also vor allem die Eigentümer von Gebäuden Solarstrom für sich nutzen, Mieter blieben meist außen vor. Mittlerweile gibt es jedoch auch sogenannte Mieterstrom-Modelle, bei denen die Mieter Strom vom Dach ihres Wohngebäudes oder aus dessen räumlicher Nähe beziehen. Auch Kleinstanlagen für den Balkon erleben einen Aufschwung.

    Solarmodule als Balkonanlage

    Obwohl der überwiegende Teil der PV-Anlagen an einem festen Standort gebunden ist, gibt es auch mobile Anwendungen. Hier kommen häufig die leichteren und flexiblen Dünnschichtmodule zum Einsatz, zum Beispiel bei Anlagen auf einem Wohnmobil oder dem Hausboot. Im kleinen Maßstab finden sich Solarmodule auch als Lösungen für unterwegs oder auf Textilien.

    Solarpanels kaufen: Kriterien für einen Solarmodul-Vergleich 

    Solarmodule einzeln zu kaufen, ist im Allgemeinen nur sinnvoll, wenn diese für kleinere Anwendungen benötigt und selbst installiert werden können. Wer eine Photovoltaikanlage erwerben will, lässt sich meist ein Gesamtangebot erstellen, das die gewünschte Anlagenleistung und die verfügbare Dachfläche berücksichtigt. Doch auch wenn diese Parameter feststehen, stellt sich Nutzer*innen meist noch die Frage nach der Auswahl der konkreten Module.

    Solarmodule werden von zahlreichen Herstellern und in vielfältigen Ausführungen angeboten, was teils erhebliche Unterschiede bei den Anschaffungskosten bedingt. Es mag verlockend sein, einfach die günstigsten Module zu wählen; aber nicht immer ist das die beste Entscheidung. Bevor Sie Solarmodule kaufen, sollten Sie die Produktspezifikationen bei verschiedenen Anbietern einem eingehenden Vergleich unterziehen, um auch wirklich die bestmögliche Investition zu tätigen.

    Photovoltaikanlage von SOLARWATT
    Sie wollen selbst Strom vom Dach gewinnen und sich von Ihrem Netzanbieter unabhängig machen? Mit einer Photovoltaikanlage von SOLARWATT leiten Sie Ihre persönliche Energiewende ein.

    Auf welche Aspekte sollten Sie beim Kauf von Solarpanels achten?

    Wirkungsgrad der Solarzellen

    Ein höherer Wirkungsgrad äußert sich darin, dass die Module bei gleicher Fläche eine höhere Leistung bieten. Den Wirkungsgrad eines Moduls können Sie dem Datenblatt des Herstellers entnehmen.

    Preis

    Die Preise von Photovoltaik-Modulen richten sich nach ihrer Leistung und werden im Allgemeinen in Euro pro Wattpeak (Wp) angegeben. Leistungsfähigere Module sind also teurer.
    Selbstverständlich müssen Sie innerhalb Ihres Budgets bleiben. Allerdings sollten Sie berücksichtigen, dass die Kosten für die Solarmodule etwa nur ein Drittel der Gesamtkosten ausmachen. Es lohnt sich also, hier etwas mehr Geld zu investieren und gute Module zu kaufen.

    Qualität

    Äußerlich werden Laien kaum Unterschiede zwischen verschiedenen Modulen erkennen. Der beste Garant für hohe Qualität sind der Name des Herstellers und die Garantien die für das Modul.

    Garantiezeitraum und -umfang 

    Es ist davon auszugehen, dass Solarmodule 20 bis 25 Jahre und länger ihren Dienst versehen. Allerdings kommt es über die Zeit zu einer Abnahme der Leistung. Insofern sollten Sie beim Kauf unbedingt auch auf die Leistungsgarantie achten. Das heißt, Ihr Module sollte nach 20 Jahren immer noch 80 Prozent oder mehr von seiner Ausgangsleistung erbringen.

    Lebensdauer

    Ein Solarmodul hat nach ca. zwei Jahren die Energie eingespielt, die für seine Produktion verwendet wurde. Die Kosten für die Anlage PV-haben sich im Schnitt nach 10 bis 15 Jahren amortisiert. Umso länger die Module Strom bei möglichst konstanter Leistung produzieren, umso mehr profitieren Sie selbst und die Umwelt davon. Die Lebensdauer ist also eines der entscheidenden Kriterien für die Rentabilität eines Solarmoduls.

    Was ist von Solarmodul-Tests zu halten?

    Anders als bei vielen anderen Arten von Produkten gibt es keine Solarmodul-Tests, die von unabhängigen und seriösen Institutionen durchgeführt werden, etwa von der Stiftung Warentest. Zum einen ist es schwer möglich, den sich in permanenter Bewegung befindlichen Markt ausreichend abzubilden. 

    Zum anderen lassen sich zwei wesentliches Qualitätskriterien von Solaranlagen nicht durch einen schnell durchgeführten Solarmodul-Test angemessen berücksichtigen: die Langlebigkeit und der von ihr abhängige Stromertrag über die gesamte Laufzeit.

    Es ist in jedem Fall ratsam, Solarpanels von etablierten Unternehmen zu kaufen, auch im Hinblick auf einen Ansprechpartner im Garantiefall. Welcher Anbieter die besten Solarmodule fertigt, lässt sich pauschal nicht beantworten, da es unter anderem auch auf die jeweilige Spezialisierung auf eine bestimmte Technologie ankommt. Klar ist aber, dass deutsche und chinesische Hersteller im Bereich der Solarenergie führen. Sie bringen regelmäßig innovative Photovoltaikprodukte auf den Markt. Kunden können sich deshalb sowohl bei Solarmodulen von etablierten chinesischen als auch von deutschen Produzenten auf eine gute Qualität verlassen. Wenn Sie sich für eine bestimmte Installationsfirma entscheiden, wird dieser immer eigene Favoriten vorschlagen. Lassen sich von den Experten ausführlich zu Vor- und Nachteilen beraten.

    Beratung nutzen, ehe Sie Solarpanels kaufen

    Wer sich Solarmodule kauft, tätigt keine unerhebliche Investition. Wenn Sie sichergehen wollen, die für Ihre konkreten Gegebenheiten am besten geeignete Solarmodule zu identifizieren, können Sie den Service eines Energiechecks der Verbraucherzentralen in Anspruch nehmen. 

    Deren Energieberater kommen zu Ihnen nach Hause und geben Ihnen individuelle Empfehlungen. Die Beratungen werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. So kostet die gemeinsame Begehung und Erarbeitung eines Konzeptes Interessenten lediglich 30 Euro. Einkommensschwache Haushalte erhalten sie sogar umsonst.

    Installation von Solarmodulen auf einem Dach

    Kann ich meine Solarmodule selbst installieren?

    Bei Solarmodulen handelt es sich um elektrische Anlagen. Die wichtigste Frage ist also: Welche Ströme fließen? Unser Körperwiderstand beträgt 700 bis 1000 Ohm, es genügen also schon 50 V, um lebensgefährliche Stromstärken von 50 mA zu erreichen. Typische Dickschicht-Module für die Dachinstallation liegen mit 30 bis 40 V knapp darunter, doch schon beim Zusammenschalten zweier Module kann ein Fehler tödlich enden. Nicht zu vergessen, dass die Installation in der Regel in großer Höhe auf dem Dach erfolgt. Es ist also besser, Sie lassen Fachfirmen die Installation übernehmen. Das ist nicht nur weniger gefährlich; sollte es zu Schäden durch Installationsfehler kommen, sind Sie auch versichert.

    Manche Hausbesitzer*innen halten es für eine gute Idee, das für die Installation notwendige Gerüst am Haus selbst zu errichten, um Geld zu sparen. Wir empfehlen auch diese Aufgabe den Fachleuten zu überlassen, denn im Falle eines Falles springt sonst keine Versicherung für die Schäden ein.