Bifaziale Module - beidseitig PV-aktive Solarmodule

Der Begriff „bifazial“ oder „bifacial“ leitet sich aus dem Lateinischen ab: „bi“ bedeutet zwei oder zwie-, „facies“ steht für „Gesicht“. Bifazial heißt also zwie- oder zweigesichtig. In der Botanik wird der Begriff seit langem für den Aufbau bestimmter Laubblätter verwendet; bifaziale Solarmodule sind erst seit einigen Jahren ein Thema in der Branche. Bei diesen Modulen kommen Solarzellen zum Einsatz, die sowohl auf der Vorder-, als auch auf der Rückseite photoelektrisch aktiv sind. 

Das Konzept der bifazialen Solarzellen wurde bereits 1960 von einem japanischen Forscher vorgestellt; dabei handelte es sich jedoch um eine Zweifach-Zelle mit zwei p-n-Übergängen. Aktuelle bifaziale Solarzellen unterscheiden sich von Standard-Zellen durch eine Modifizierung des Rückkontakts, wodurch das Eindringen von Photonen auch über die Rückseite der Zelle möglich wird. Das von der Rückseite kommende Licht wird weniger effektiv aufgefangen. Den Unterschied zwischen Wirkungsgrad bzw. Leistung von Vorder- und Rückseite drückt der Bifazialfaktor aus. Dieser Faktor liegt bei bifazialen PERC-Zellen bei ca. 70 %. Heterojunction-Zellen ermöglichen einen Bifazialfaktor von 95 % und mehr. Bei diesem Zelltyp werden zusätzlich zwei dünne Schichten amorphes Silizium auf dem Basismaterial abgeschieden. Als Kontakt dient auf beiden Seiten ein transparentes, leitfähiges Oxid. 

Um das auf die Rückseite fallende Sonnenlicht möglichst effektiv nutzen zu können, sind die Rückseitenabdeckungen (Glas oder Folie) bei bifazialen Modulen meist transparent. Das hat zur Folge, dass der Vorderseitenertrag leicht sinkt, denn durchgehende Photonen werden nicht mehr reflektiert. Dies wird aber durch den Ertrag der Rückseite mehr als kompensiert: Ein Mehrertrag von 5 % bis 30 % im Vergleich zu herkömmlichen monofazialen Modulen gleicher Größe wird dadurch möglich. Derzeit gibt es allerdings noch keine normiertes Verfahren, mit dem der Zugewinn bestimmt werden kann.

Wie hoch der Mehrertrag tatsächlich ausfällt, hängt zudem nicht allein von den bifazialen Modulen selbst ab, sondern wesentlich von der konkreten Installation. Besonders großen Einfluss haben Neigungswinkel und das Rückstrahlvermögen des Untergrunds.

Um eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades zu erzielen, wird die bifaziale Technik häufig mit der Halbzellentechnik kombiniert. Die dreiteiligen Anschlussdosen sind für beide Techniken nützlich, bei bifazialen Modulen verringern sie die Verschattung der Rückseite.

Auch wenn es bifaziale Zellen schon eine Weile gibt, so werden diese erst seit einigen Jahren industriell eingesetzt. Lange Zeit kamen sie vor allem in der Weltraumfahrt zur Anwendung, um möglichst hohe Stromerträge zu erzielen. Für den Einsatz auf der Erde waren bifaziale Module schlichtweg noch zu teuer. Das hat sich aber geändert, seit einige große Hersteller wie LG Electronics oder Panasonic auf den Modultyp setzen.

Die Herstellung bifazialer Solarzellen unterscheidet sich im Wesentlichen nicht von der monofazialer Zellen. Allerdings sind drei zusätzliche Produktionsschritte notwendig. Die Rückseite der Zellen muss poliert, passiviert und anschließend für die elektrischen Kontakte wieder geöffnet werden. Die vollflächige Metallisierung mit Aluminium auf der Rückseite wird durch ein Metallisierungsgitter („Grid“) ersetzt, das dem auf der Vorderseite der Solarzelle aufgebrachten Muster ähnelt.

Ausgeführt werden die bifazialen Module als rahmenlose, Glas-Glas- aber auch als Glas-Folie-Module. Die Rückseite des Moduls sollte möglichst transparent sein, um ein Eindringen des Sonnenlichts zu ermöglichen. Allerdings gibt es auch Module mit einer weißen Rückseitenfolie, die nur das reflektierte Licht der Zellzwischenräume nutzen. Das ideale Rückseitenmaterial ist jedoch Glas, Dank seiner reflektierenden Eigenschaften und der höheren Stabilität des Glas-Glas-Verbundes.

Aufgrund der etwas komplexeren Herstellung sind bifaziale Solarmodule etwas teurer als Standard-Module. Die Preise gleichen sich aber zunehmend an, auch weil die meisten Hersteller auf den effektiveren Modultyp setzen und immer weniger monofaziale Module hergestellt werden.

Bei einer typischen Dach- oder Fassadeninstallation ist der Zugewinn durch den Einsatz bifazialer Module eher gering, da auf die Modulrückseite keinerlei direkte Strahlung einwirkt. Nur die Sonnenstrahlen, die am Modulrand vorbei oder durch die transparenten Zwischenräume auf den Untergrund fallen und reflektiert werden, können Solarstrom erzeugen. Wie hoch der zusätzliche Ertrag ausfällt, hängt dabei wesentlich vom Rückstrahlvermögen (Albedo) der Dachfläche oder Fassade und deren Abstand zu den Modulen ab. Der Mehrertrag durch den Einsatz bifazialer Solarmodule ist besonders hoch, wenn die Sonne sehr flach steht, also morgens und abends.

Ihre Vorzüge können bifaziale Module vor allem dann entfalten, wenn das Sonnenlicht gleichermaßen auf Vorder- und Rückseite fällt. Aufgeständerte Module auf Freiflächen, Flachdächern oder Carports bieten aufgrund ihres verhältnismäßig großen Abstandes zum Boden mehr Möglichkeiten, reflektierte aber auch direkte Einstrahlung zu verwerten. Darüber hinaus sind aufrecht stehende Installationen wie PV-Zäune, Lärmschutzwände, PV-Anlagen im hochalpinen Bereich aber auch  in der Landwirtschaft (Agrar-PV, Agro-PV) effiziente Anwendungen für bifaziale Solarmodule. Die aufrechte Installation sorgt hier auch dafür, dass Verluste durch Verschmutzung oder aufliegenden Schnee minimiert werden.

 Eine teilweise Verschattung wirkt sich stets auf die Leistung von Solarmodulen aus. Bei bifazialen Modulen ließe sich argumentieren, dass eine Seite immer mehr oder weniger stark verschattet ist, wodurch die Gesamtleistung des Moduls geschmälert würde. Tatsächlich ist es jedoch so, dass durch die Verschattung nur der zusätzliche Beitrag der Rückseite beeinflusst wird.