Dünnschicht-Solarmodule: Pro & Contra

Dünnschicht-Solarmodule sind eine günstige Alternative zu den verbreiteten Dickschicht-Modulen. Hier lesen Sie, für welche Einsatzzwecke Dünnschicht-Solarzellen geeignet sind und welche Stärken und Schwächen die Technologie hat.

13.01.2021 Lesezeit ca.

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Dünnschicht-Solarmodule - Wann lohnt sich die Technik?

Wer eine Photovoltaikanlage installieren möchte, hat neben anderen Kriterien die Auswahl zwischen Dünnschicht-Solarmodulen und Dickschicht-Solarmodulen. Beide Modularten haben ihre Stärken und Schwächen und eignen sich für verschiedene Einsatzszenarien. Ein Überblick.

Dickschicht- vs. Dünnschicht-Solarzellen – Was eignet sich wofür?

Als Haus- bzw. Grundstücksbesitzer*in müssen Sie sich zuerst folgende Fragen beantworten: Wie groß und wie leistungsstark soll meine Photovoltaikanlage sein? Wie viel Platz steht mir zur Verfügung? Wie viel Geld kann ich investieren?

Die Beantwortung dieser Fragen beeinflusst wesentlich, welcher Typ Solarmodul der passende für Ihre Zwecke ist. Auf den grundsätzlichen Aufbau bezogen, stehen Ihnen zwei Arten von Solarmodulen zur Verfügung: Dünnschicht- und Dickschicht-Solarmodule.

Das angewandte Prinzip der Photovoltaik ist das gleiche, die Module nutzen jedoch unterschiedliche Halbleitermaterialien, um den Solarstrom zu erzeugen.

● Dickschicht-Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium (mono- oder polykristallin)

● Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus amorphem, nichtkristallinen Silizium oder anderen Halbleitermaterialien wie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe) und auch aus organische Materialen (Kohlenwasserstoffverbindungen)

Äußere Unterschiede

Der augenscheinlichste Unterschied: Bei Dünnschicht-Solarmodulen läuft kein Metallrahmen um die einzelnen Solarmodule. Ihre Oberfläche erscheint einheitlich dunkelgrün, braun oder schwarz und zeigt höchstens dezente "Nadelstreifen" an den Übergängen zwischen den Zellen.

Dünnschicht-Solarzellen sind ca. hundertmal dünner als Dickschicht-Solarzellen. Dadurch werden Dünnschichtmodule auch deutlich leichter als herkömmliche Solarmodule auf Basis von kristallinem Silizium.

Je nach Trägermaterial können Dünnschichtzellen auch gebogen werden, wobei solche flexiblen Solarmodule eine harmonische Integration in die Architektur erlauben und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Dank dieser Eigenschaft und ihres geringeren Gewichtes sind mit Dünnschichtzellen zudem mobil einsetzbare Solarmodule realisierbar.

Über diese offensichtlichen Unterschiede hinaus gibt es diverse weitere Unterschiede zur herkömmlichen Photovoltaikanlagen-Technologie, unter anderem in Bezug auf die Anschaffungs- und Betriebskosten, das Anwendungsspektrum, die Leistungsfähigkeit und die Robustheit. Alle Charakteristika beruhen auf der spezifischen Funktionsweise der Dünnschicht-Solarzellen.

Funktionsweise von Dünnschichtmodulen

Hinsichtlich ihrer Funktionsweise unterscheiden sich Dünnschicht-Solarzellen nicht von kristallinen Zellen. Die auf die Zelle auftreffenden Lichtquanten (Photonen) lösen Elektronen aus ihrem Gitter. Bei beiden Zellarten dringen die Lichtstrahlen nur etwa 10 Mikrometer (das entspricht einem tausendstel Millimeter) in das Material ein, d. h. der entscheidende Prozess – die Erzeugung frei beweglicher Elektronen als Voraussetzung für den Stromfluss – findet in einer sehr dünnen Schicht statt. Die logische Konsequenz daraus: Die Solarzelle kann extrem dünn gehalten werden.

Herstellung von PV-Dünnschichtmodulen

Der große Vorteil der Dünnschicht-Solarzellen liegt darin, dass sie wesentlich einfacher und kostengünstiger zu produzieren sind als Dickschicht-Solarzellen. Sie werden hauchdünn auf eine Trägerschicht aufgesprüht oder aufgedampft, während kristallines Silizium geschnitten werden muss, was mit speziellen Maschinen im Reinstraum erfolgt. Dank Wafer-Technologie können dabei zwar Scheiben von lediglich 180–250 Mikrometern Dicke erzeugt werden; die Stärke von Dünnschicht-Solarzellen beträgt jedoch nur rund 1–5 Mikrometer. Die Zellen sind also rund hundertmal dünner als herkömmliche kristalline Silizium-Solarzellen.

Bei Dünnschicht-Solarmodulen können zudem günstige und dünne Trägermaterialien wie Glas oder Kunststofffolien verwendet werden. Die Module benötigen zudem keinen Rahmen. Die Zellen werden direkt untereinander verschaltet und sind von einer Schutzschicht bedeckt. Die geringe Dicke wirkt sich auch auf das Gewicht der montierten Module aus: Dünnschicht-PV-Module wiegen 10 kg oder weniger, während 20 kg bei Dickschichtmodulen durchaus üblich sind.

Eigenschaften: Das zeichnet Dünnschicht-Solarzellen aus

Damit Sie als Nutzer*in mit Ihrer PV-Anlage dauerhaft zufrieden sind, sollte Ihre Kaufentscheidung nicht ausschließlich nach Design oder Preis erfolgen. Jede Modulvariante hat Vor- und Nachteile. Prüfen Sie, welche Schwächen Sie in Ihrem Anwendungsfall am ehesten in Kauf nehmen können und welche Vorteile für Sie besonders wichtig sind.

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Der zentrale Grund dafür, dass Dickschichtmodule zurzeit den Markt dominieren: Sie erreichen mit einem Wirkungsgrad von 15–22 % deutlich bessere Leistungen als PV-Dünnschichtmodule. Deren durchschnittlicher Wirkungsgrad liegt bei lediglich 10–13 %. Das hat zur Folge, dass auf einer gegebenen Dachfläche deutlich weniger Solarstrom produziert werden kann: Bisher ist dies das Haupthindernis für eine größere Verbreitung von Dünnschicht-Solarmodulen im privaten Bereich. Bei kommerziellen Anwendungen wie Solarparks spielt die Fläche nicht die entscheidende Rolle, sondern es kommt vor allem auf die Herstellungskosten an. Deshalb haben sich Dünnschicht-Solarmodule hier weitestgehend durchgesetzt.

Die Forschung hat in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und in Studien wurden bereits Wirkungsgrade von bis zu 25 % für Dünnschicht-Solarzellen erzielt. Einige wenige kommerzielle Anbieter haben bereits Module mit rund 17 % Wirkungsgrad im Angebot, wobei diese teurer sind, was den grundsätzlichen preislichen Vorteil der Dünnschicht-PV-Module wieder verschwinden lässt.

In puncto Wirkungsgrad der Solarmodule sind die Dünnschichtzellen also derzeit im Vergleich unterlegen, perspektivisch dürfte die Differenz zur Dickschicht-Solartechnik jedoch geringer werden.

Dickschichtmodule bringen zwar eine höhere Leistung als Dünnschicht-Solarmodule, aber sie arbeiten am effektivsten bei direkter Sonneneinstrahlung. Die Hersteller von Dünnschichtmodulen versprechen, dass diese bei schwachem Licht am Vor- oder Nachmittag, bei Wolken oder Smog im Vorteil und damit bei ungünstigen bzw. unsteten Lichtverhältnissen vorzuziehen sind. Pauschal lässt sich diese Aussage jedoch nicht belegen.

Hohe Temperaturen fördern einerseits die Leitfähigkeit von Halbleitern, das heißt, sie begünstigen den Fluss von Elektronen. Andererseits kann es sich in der Praxis negativ auf den Stromertrag auswirken, dass dieser Fluss ungerichtet ist.

Auskunft über die Temperaturresistenz von Solarzellen gibt der Temperaturkoeffizient. Er indiziert, wie stark die Leistung eines Moduls pro Grad Erwärmung über den Standardwert (25 Grad) abnimmt. Bei PV-Dünnschichtmodulen liegt der Temperaturkoeffizient bei 0,1–0,3 % pro Kelvin, bei Dickschichtmodulen bei 0,3–0,5 % pro Kelvin. Dünnschicht-Solarzellen sind also etwas unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen.

Die Leistungsfähigkeit von Solarmodulen nimmt über ihre Lebensdauer ab. Diese sogenannte Degradation wirkt sich bei PV-Dünnschichtmodulen in der Anfangszeit deutlich stärker aus als bei Dickschicht-Solarmodulen. Die lichtinduzierte Degradation wird jedoch immer in die Gesamteffizienz einberechnet und ist somit zu vernachlässigen. Die darüber hinausgehende altersbedingte Degradation fällt bei Dünnschichtmodulen ebenfalls stärker aus. Deren Lebensdauer ist somit kürzer, weshalb Herstellergarantien ebenfalls über kürzere Zeiträume gewährt werden.

Die zur Herstellung von PV-Anlagen benötigte Energie ist binnen weniger Jahre kompensiert. Dünnschicht-Solarzellen haben nach ein bis zwei Jahren bereits so viel Strom erzeugt, wie für ihre Herstellung notwendig war. Bei Dickschichtsystemen dauert es etwas länger, rund zwei bis zweieinhalb Jahre.

In Dünnschicht-Solarzellen aus Cadmiumtellurid ist in geringen Mengen das toxische Schwermetall Cadmium enthalten. Kritiker sehen darin die Gefahr, dass es sich vor allem bei Bränden aufgrund der hohen Temperaturen aus der Verbindung lösen und sich über die Luft verteilen könnte. Das Einatmen der Dämpfe gilt u. a. als krebserregend und schädigend für das Immunsystem. Da die Wahrscheinlichkeit einer solchen Herauslösung des Stoffs aus dem Material aber im Allgemeinen als gering eingestuft wird, ist Cadmiumtellurid weiterhin zugelassen.

Beauftragen Sie die Montage von Dickschicht-Solarpaneelen, können Sie sicher sein, dass Ihr Dienstleister Routine bei der Arbeit mit dieser Art von PV-Anlagen hat: Dickschicht-PV-Anlagen sind schließlich der verbreitete Standard und die Montage ist relativ einfach. Obendrein ist das Material robust und die Zellen sind durch einen Rahmen geschützt.

Dünnschicht-Solarmodule sind dagegen anspruchsvoller in der Montage. Je nach Ausführung handelt es sich um biegsame oder starre, in jedem Fall aber um dünne Scheiben, die ohne Rahmen besonders vorsichtig montiert werden müssen. Aufgrund der geringen Verbreitung haben Unternehmen in der Regel weniger Erfahrung in der Montage, was die Arbeitsdauer und Fehlerwahrscheinlichkeit erhöht.

Geringere Zelldicken und der Verzicht auf einen Rahmen sorgen dafür, dass ein Dünnschicht-Solarmodul ein deutlich geringeres Gewicht als ein Dickschicht-Solarmodul aufweist. Das macht die Module auch dort einsetzbar, wo die Statik nur begrenzte Lasten erlaubt.

Bei der Wartung können die Dünnschicht-Solarzellen punkten, da sie weniger Zwischenräume aufweisen, in denen sich Schmutz ablagern kann. Die Reinigung der Solarmodule muss deshalb weniger oft erfolgen, was Kostenvorteile bietet. Allerdings sind Dünnschichtmodule aufgrund ihrer schlanken Bauweise grundsätzlich anfälliger für Umwelteinflüsse und ihre Lebensdauer ist geringer als die von Dickschicht-PV-Modulen.

Die Kosten für Solarmodule sind unabhängig von der konkreten Art in den vergangenen Jahren gesunken und werden laut einer Fraunhofer-Studie auch in Zukunft weiter sinken. Ein Grund für den Preissturz ist die zunehmende Herstellerkonkurrenz aus Asien, ein weiterer betrifft die sogenannten Skaleneffekte: Bei steigender Nachfrage und größeren Produktionsmengen kann zu einem niedrigeren Preis produziert werden.

Dünnschicht-Solarmodule sind wegen des einfacheren Herstellungsprozesses und geringeren Materialverbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Dickschichtmodulen die kostengünstigere Variante in der Anschaffung. Für den Preisvergleich eignet sich am besten der Preis pro Kilowatt-Peak (kWp).

Die Preise für Dünnschicht-Solartechnik variieren je nach Hersteller und Qualität der Produkte. Derzeit müssen zukünftige PV-Betreiber mit 200–1.200 Euro pro kWp Anschaffungskosten für Dünnschicht-Solarmodule rechnen, Dickschichtanlagen sind mit 600–1.600 Euro pro kWp deutlich teurer (Stand: Anfang 2021).

Allerdings ist bei der Kalkulation zu bedenken, dass für den gleichen Stromertrag etwa eineinhalb- bis zweimal so viele Dünnschichtmodule wie monokristalline Dickschichtmodule benötigt werden und dass die Lebensdauer der Dünnschichtmodule geringer ist. Photovoltaikanlagen haben eine durchschnittliche Laufzeit von 20 bis 25 Jahren. Nach 10 bis 15 Jahren haben sich die Anschaffungskosten in der Regel amortisiert und alle weiteren Einnahmen können als Gewinn verbucht werden.

Neben den Anschaffungskosten für die Solarmodulen sollten Sie weitere anfallende Kosten berücksichtigen, zum Beispiel für Verkabelung, Wechselrichter, Montagesysteme, Installation und Netzanschluss. Wenn Sie den erzeugten Strom vor allem selbst nutzen wollen, um Stromkosten zu sparen, müssen Sie zusätzlich in einen Stromspeicher investieren. Hierfür stellen verschiedene Akteure Förderungen zur Verfügung.

Kosten von Dünnschicht-Modulen

Vor- und Nachteile von Dünnschicht-Photovoltaik auf einen Blick

Dünnschicht- und Dickschicht-Solarmodule im Vergleich

	Dünnschichtmodule	Dickschichtmodule
Effizienz	10–17 %	15–22 %
Montage	hoher Aufwand	geringer Aufwand
Wartung	geringer Aufwand	geringer Aufwand
Degradation	vergleichsweise hohe Altersdegradation	geringe Altersdegradation
Schwachlichtverhalten	hohe Leistung auch bei suboptimalen Lichtverhältnissen	volle Leistung nur bei optimalen Bedingungen
Temperaturkoeffizient	- 0,1–0,3 % Kelvin	- 0,3–0,5 % Kelvin
Energierücklaufzeit	1–2 Jahre	2–3 Jahre
Kosten	200–1.200 € / kWp	600–1.600 € / kWp

Sie überlegen, sich Dünnschicht-Solarmodule zu kaufen? Hier deren wichtigsten Vor- und Nachteile auf einen Blick:

Vorteile

● niedrige Materialkosten

● auch bei schlechteren Lichtverhältnissen einsetzbar

● geringer Wartungsaufwand

● hohe Temperaturtoleranz

● flexible Montagemöglichkeiten dank geringen Gewichts und biegsamer Module

Nachteile

● hoher Flächenverbrauch für mit kristallinen Modulen vergleichbare Leistung

● kürzere Lebensdauer

● aufwendigere Montage

● geringere Effizienz

● geringere Stabilität

Fazit: Dünnschicht-Solarzellen derzeit noch keine echte Alternative

Für die Photovoltaikanlage auf dem eigenen Hausdach sind Dickschicht-Solarmodule noch immer die Technologie der Wahl. Die verfügbare Dünnschichtmodul-Technik bietet zwar einige Vorteile, ist jedoch in den meisten Fällen noch nicht für den Einsatz im privaten Bereich attraktiv. Dünnschicht-Solarmodule zu kaufen, bietet sich für Hauseigentümer nur in Ausnahmefällen an.

Vor allem für Privatnutzer, die für die PV-Anlage nur begrenzten Platz auf ihrem Hausdach zur Verfügung haben, ist Dickschicht-Solartechnik meist die bessere Wahl. Perspektivisch mag sich dies ändern, da in den vergangenen Jahren erhebliche Effizienzsteigerungen bei Dünnschicht-Solarzellen erzielt werden konnten. Deren Marktanteil im privaten Bereich steigt allmählich, und mit weiteren Optimierungen könnten Dünnschicht-Solarmodule in Zukunft vielleicht zu einer echten Konkurrenz für herkömmliche Solarmodule werden.

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Redaktion Solarenergie.de
Redaktion

Diese Texte wurden nicht von einem einzelnen Autoren, sondern von einer Berliner Agentur in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.