Arten von Solarmodulen: vergleichender Überblick über Konstruktionen und Tipps zur Auswahl von Panels

Alternative Energien entwickeln sich in Europa maximal und zeigen durch ihre Ergebnisse ihre Zukunftsfähigkeit. Es entstehen neue Arten von Solarpaneelen, deren Wirkungsgrad steigt.

Wenn Sie den Betrieb eines Industriegebäudes oder eines Wohnraums mit Solarenergie sicherstellen möchten, müssen Sie sich im Voraus über die Unterschiede der Ausrüstung informieren und verstehen, welche Solarpaneele für die klimatischen Bedingungen einer bestimmten Region geeignet sind.

Wir helfen Ihnen, dieses Thema zu verstehen. Im Artikel wird das Funktionsprinzip von photovoltaischen Umwandlern erläutert, ein Überblick über verschiedene Solarpanelarten mit Angabe ihrer Eigenschaften, Vor- und Nachteile gegeben. Nach dem Durchlesen des Materials können Sie die richtige Wahl für die Einrichtung eines effizienten Solarsystems treffen.

Funktionsprinzip von Solarpaneelen

Die überwältigende Mehrheit der Solarmodule sind im physikalischen Sinne photovoltaische Wandler. Der stromerzeugende Effekt tritt an der Stelle des Halbleiter-p-n-Übergangs auf.

Gerade die Siliziumwafer bilden die Grundlage der Kosten von Solarmodulen, aber wenn sie als rund um die Uhr verfügbare Stromquelle verwendet werden, müssen zusätzlich teure Akkumulatoren gekauft werden.

Ein Solarmodul besteht aus zwei Siliziumwafern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Unter Lichteinwirkung entsteht in einem ein Mangel an Elektronen und im anderen ein Überschuss. Jeder Wafer verfügt über stromableitende Kupferstreifen, die an die Spannungswandler angeschlossen sind.

Ein industrielles Solarmodul besteht aus vielen laminierten photovoltaischen Zellen, die miteinander verbunden und auf einer flexiblen oder starren Unterlage befestigt sind.

Der Wirkungsgrad der Anlage hängt maßgeblich von der Reinheit des Siliziums und der Ausrichtung seiner Kristalle ab. Genau diese Parameter versuchen Ingenieure seit Jahrzehnten zu verbessern. Das Hauptproblem dabei sind die hohen Kosten der Verfahren, die der Reinigung des Siliziums und der Ausrichtung der Kristalle in eine Richtung auf dem gesamten Modul zugrunde liegen.

Jährlich steigen die maximalen Wirkungsgrade verschiedener Solarmodule, weil Milliarden von Dollar in die Erforschung neuer photovoltaischer Materialien investiert werden (+).

Die Halbleiter photovoltaischer Wandler können nicht nur aus Silizium, sondern auch aus anderen Materialien hergestellt werden – das Funktionsprinzip der Batterie ändert sich dabei nicht.

Typen photovoltaischer Umwandler

Industrielle Solarmodule werden nach ihren konstruktiven Merkmalen und der Art der aktiven photovoltaischen Schicht klassifiziert.

Es werden folgende Modultypen nach dem Aufbau unterschieden:

• flexible Paneele;
• starre Module.

Flexible Dünnschichtmodule nehmen aufgrund ihrer Montagevielseitigkeit zunehmend eine größere Nische auf dem Markt ein, da sie auf den meisten Oberflächen mit unterschiedlichsten architektonischen Formen installiert werden können.

Die tatsächlichen Leistungswerte von Solarmodulen sind in der Regel niedriger als in der Anleitung angegeben. Daher ist es vor der Installation zu Hause ratsam, selbst ein ähnliches realisiertes Projekt zu sehen.

Nach der Art der aktiven photovoltaischen Schicht werden Solarmodule in folgende Varianten unterteilt:

1. Siliziumbasierte: monokristallin, polykristallin, amorph.
2. Cadmiumtellurid-basierte.
3. Auf Basis von Indium-Gallium-Selenid.
4. Polymer-basierte.
5. Organische.
6. Auf Basis von Galliumarsenid.
7. Kombinierte und mehrschichtige.

Von Interesse für den breiten Verbraucher sind nicht alle Arten von Solarmodulen, sondern nur die ersten beiden kristallinen Unterarten.

Obwohl einige andere Paneltypen einen hohen Wirkungsgrad haben, haben sie sich aufgrund der hohen Kosten nicht weit verbreitet.

Silizium-Photovoltaikelemente sind recht hitzeempfindlich. Die Basistemperatur für die Messung der Stromerzeugung beträgt 25 °C. Bei einer Erhöhung um ein Grad sinkt die Effizienz der Module um 0,45-0,5 %.

Im Folgenden werden Solarmodule, die für Verbraucher von größtem Interesse sind, ausführlich behandelt.

Eigenschaften von siliziumbasierten Modulen

Silizium für Solarzellen wird aus Quarzpulver hergestellt – gemahlenen Quarzkristallen. Reichhaltige Rohstoffvorkommen gibt es in Westsibirien und im Mittleren Ural, daher sind die Perspektiven dieser Richtung der Solarenergie nahezu unbegrenzt.

Selbst heute haben kristalline und amorphe Siliziummodule bereits über 80 % des Marktes. Daher lohnt es sich, sie genauer zu betrachten.

Monokristalline Siliziumpaneele

Moderne monokristalline Siliziumwafer (mono-Si) haben eine gleichmäßige dunkelblaue Farbe über die gesamte Oberfläche. Für ihre Herstellung wird das reinste Silizium verwendet. Monokristalline Solarzellen haben unter allen Siliziumwafern den höchsten Preis, bieten aber auch den besten Wirkungsgrad.

Große monokristalline Solarmodule mit Drehmechanismen fügen sich ideal in Wüstenlandschaften ein. Dort werden die Bedingungen für maximale Leistung sichergestellt.

Die hohen Produktionskosten resultieren aus der Schwierigkeit, alle Siliziumkristalle in eine Richtung auszurichten. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften der Arbeitsschicht wird der maximale Wirkungsgrad nur bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen auf die Plattenoberfläche erreicht.

Monokristalline Module benötigen zusätzliche Ausrüstung, die sie im Laufe des Tages automatisch dreht, damit die Paneelebene möglichst senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht.

Die Schichten aus Silizium mit einseitig orientierten Kristallen werden aus einem zylindrischen Metallbarren geschnitten, daher haben die fertigen photovoltaischen Blöcke die Form eines an den Ecken abgerundeten Quadrats.

Zu den Vorteilen monokristalliner Siliziummodule gehören:

1. Hoher Wirkungsgrad von 17-25%.
2. Kompaktheit – geringere Stellfläche der Ausrüstung pro Leistungseinheit im Vergleich zu polykristallinen Siliziummodulen.
3. Langlebigkeit – ausreichende Effizienz der Stromerzeugung wird bis zu 25 Jahre gewährleistet.

Nachteile solcher Module gibt es nur zwei:

1. Hohe Kosten und lange Amortisationszeit.
2. Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung. Staub streut das Licht, wodurch der Wirkungsgrad verschmutzter Solarmodule drastisch sinkt.

Aufgrund der Notwendigkeit direkter Sonneneinstrahlung werden monokristalline Solarmodule werden hauptsächlich im Freien oder in der Höhe installiert. Je näher das Gebiet am Äquator liegt und je mehr Sonnentage es hat, desto vorteilhafter ist die Installation genau dieses Typs von photovoltaischen Elementen.

Polykristalline Solarpaneele

Polykristalline Siliziummodule (multi-Si) haben aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der Kristalle eine ungleichmäßige blaue Färbung. Die Reinheit des bei ihrer Herstellung verwendeten Siliziums ist etwas geringer als die von monokristallinen Modulen.

Die unterschiedliche Ausrichtung der Kristalle sorgt für einen hohen Wirkungsgrad bei diffusem Licht – 12-18%. Dieser ist zwar niedriger als bei einheitlich ausgerichteten Kristallen, aber bei bewölktem Wetter sind solche Module effektiver.

Die Inhomogenität des Materials führt auch zu niedrigeren Herstellungskosten des Siliziums. Das gereinigte Metall für polykristalline Solarmodule wird ohne großen Aufwand in Formen gegossen.

Bei der Herstellung werden spezielle technische Verfahren zur Kristallbildung eingesetzt, jedoch wird deren Ausrichtung nicht kontrolliert. Nach dem Abkühlen wird das Silizium in Schichten geschnitten und nach einem speziellen Algorithmus bearbeitet.

Polykristalline Module benötigen keine ständige Ausrichtung zur Sonne, daher werden für ihre Platzierung häufig Dächer von Wohn- und Industriegebäuden genutzt.

Tagsüber bei leichter Bewölkung sind die Vorteile von Solarmodulen aus amorphem Silizium nicht erkennbar; ihre Vorzüge zeigen sich erst bei dichten Wolken oder im Schatten (+).

Zu den Vorteilen von Solarmodulen mit verschieden ausgerichteten Kristallen zählen:

1. Hohe Effizienz bei diffusem Licht.
2. Möglichkeit der festen Montage auf Gebäudedächern.
3. Geringere Kosten im Vergleich zu monokristallinen Modulen.
4. Lange Lebensdauer – der Wirkungsgradabfall nach 20 Jahren beträgt nur 15-20%.

Auch polykristalline Module haben Nachteile:

1. Niedrigerer Wirkungsgrad von 12-18%.
2. Relative Sperrigkeit – es wird mehr Platz pro Leistungseinheit benötigt im Vergleich zu monokristallinen Pendants.

Polykristalline Solarmodule gewinnen einen immer größeren Marktanteil unter den anderen Siliziumbatterien. Dies wird durch die großen potenziellen Möglichkeiten zur Senkung ihrer Produktionskosten ermöglicht. Auch der Wirkungsgrad solcher Module steigt jährlich und nähert sich bei Massenprodukten rasch 20%.

Solarpaneele aus amorphem Silizium

Der Herstellungsmechanismus von Solarmodulen aus amorphem Silizium unterscheidet sich grundlegend von der Herstellung kristalliner photovoltaischer Elemente. Hier wird nicht das reine Nichtmetall verwendet, sondern sein Hydrid, dessen heiße Dämpfe auf ein Substrat abgeschieden werden.

Durch diese Technologie entstehen keine klassischen Kristalle, und die Produktionskosten sinken drastisch.

Fotoelemente aus abgeschiedenem amorphem Silizium können sowohl auf einem flexiblen Polymersubstrat als auch auf einer starren Glasplatte befestigt werden.

Derzeit gibt es bereits drei Generationen von Modulen aus amorphem Silizium, bei denen der Wirkungsgrad deutlich gesteigert wird. Während die ersten photovoltaischen Module einen Wirkungsgrad von 4-5% hatten, werden heute massenhaft Modelle der zweiten Generation mit einem Wirkungsgrad von 8-9% verkauft.

Die neuesten amorphen Module haben einen Wirkungsgrad von bis zu 12% und sind bereits im Handel erhältlich, aber sie sind noch recht teuer.

Aufgrund der Besonderheiten dieser Fertigungstechnologie kann eine Siliziumschicht sowohl auf einem starren als auch auf einem flexiblen Substrat erzeugt werden. Daher werden Module aus amorphem Silizium häufig in flexiblen Dünnschichtsolar-modulen eingesetzt. Die Varianten mit elastischem Substrat sind jedoch deutlich teurer.

Die physikalisch-chemische Struktur von amorphem Silizium ermöglicht eine maximale Absorption von Photonen schwachen Streulichts zur Stromerzeugung. Daher eignen sich solche Module für den Einsatz in nördlichen Regionen mit großen freien Flächen.

Auch bei hohen Temperaturen sinkt die Effizienz von Batterien auf Basis von amorphem Silizium nicht, obwohl sie in dieser Hinsicht Modulen aus Galliumarsenid unterlegen sind.

Bei gleichen Gerätekosten zeigen Solarpaneele aus Siliziumhydrid eine höhere Leistung als ihre mono- und polykristallinen Pendants (+)

Zusammenfassend lassen sich folgende Vorteile amorpher Solarpaneele nennen:

1. Vielseitigkeit – Möglichkeit zur Herstellung flexibler und dünner Paneele, Montage der Module auf beliebige architektonische Formen.
2. Hoher Wirkungsgrad bei diffusem Licht.
3. Stabiler Betrieb bei hohen Temperaturen.
4. Einfachheit und Zuverlässigkeit der Konstruktion. Solche Paneele brechen praktisch nicht.
5. Funktionsfähigkeit unter schwierigen Bedingungen – geringerer Leistungsabfall bei verschmutzter Oberfläche im Vergleich zu kristallinen Pendants

Die Lebensdauer solcher photovoltaischer Elemente beträgt ab der zweiten Generation 20-25 Jahre bei einem Leistungsabfall von 15-20 %. Zu den Nachteilen von Paneelen aus amorphem Silizium zählt lediglich der Bedarf an größeren Flächen für die Aufstellung von Anlagen mit der erforderlichen Leistung.

Überblick über siliziumfreie Geräte

Einige Solarpaneele, die unter Verwendung seltener und teurer Metalle hergestellt werden, haben einen Wirkungsgrad von über 30 %. Sie sind um ein Vielfaches teurer als ihre siliziumbasierten Pendants, haben sich aber aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine hochtechnologische Marktnische erobert.

Solarpaneele aus seltenen Metallen

Es gibt verschiedene Arten von Solarpaneelen aus seltenen Metallen, und nicht alle haben einen höheren Wirkungsgrad als monokristalline Siliziummodule.

Die Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu arbeiten, ermöglicht es den Herstellern solcher Solarpaneele jedoch, wettbewerbsfähige Produkte herzustellen und weitere Forschungen durchzuführen.

Paneele aus Kadmiumtellurid werden aktiv bei der Gebäudeverkleidung in äquatorialen und arabischen Ländern eingesetzt, wo sich ihre Oberfläche tagsüber auf 70-80 Grad erhitzt.

Die wichtigsten Legierungen, die zur Herstellung von Photovoltaikelementen verwendet werden, sind Kadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Kupfer-Indium-Selenid (CIS).

Kadmium ist ein toxisches Metall, und Indium, Gallium und Tellur sind recht selten und teuer. Daher ist eine Massenproduktion von Solarpaneelen auf ihrer Basis selbst theoretisch unmöglich.

Der Wirkungsgrad solcher Paneele liegt bei 25-35 %, kann aber in Ausnahmefällen bis zu 40 % erreichen. Früher wurden sie hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt, aber jetzt hat sich ein neues vielversprechendes Anwendungsgebiet ergeben.

Aufgrund des stabilen Betriebs von Photovoltaikelementen aus seltenen Metallen bei Temperaturen von 130-150 °C werden sie in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei werden die Sonnenstrahlen von Dutzenden oder Hunderten von Spiegeln auf einer kleinen Platte konzentriert, die gleichzeitig Strom erzeugt und die Übertragung von Wärmeenergie an einen Wasserwärmetauscher sicherstellt.

Durch die Erhitzung von Wasser entsteht Dampf, der eine Turbine antreibt und elektrische Energie erzeugt. Auf diese Weise wird Sonnenenergie gleichzeitig auf zwei Wegen mit maximaler Effizienz in elektrische Energie umgewandelt.

Polymer- und organische Analoga

Fotovoltaikmodule auf Basis organischer und polymerer Verbindungen wurden erst im letzten Jahrzehnt entwickelt, aber die Forscher haben bereits beachtliche Fortschritte erzielt. Den größten Fortschritt zeigt das europäische Unternehmen Heliatek, das bereits mehrere Hochhäuser mit organischen Solarmodulen ausgestattet hat.

Die Dicke ihrer rollbaren Folienkonstruktion vom Typ HeliaFilm beträgt nur 1 mm.

Bei der Herstellung von Polymerpanelen werden Stoffe wie Kohlenstoff-Fullerene, Kupferphthalocyanin, Polyphenylen und andere verwendet. Der Wirkungsgrad solcher Fotozellen erreicht bereits 14-15%, und die Herstellungskosten sind um ein Vielfaches geringer als bei kristallinen Solarmodulen.

Die Frage der Degradationsdauer der organischen aktiven Schicht ist dringend. Bisher ist es nicht möglich, den Wirkungsgrad nach mehreren Betriebsjahren zuverlässig zu bestätigen.

Die Vorteile organischer Solarmodule sind:

• Möglichkeit einer umweltfreundlichen Entsorgung;
• Niedrige Herstellungskosten;
• Flexible Bauweise.

Zu den Nachteilen solcher Fotozellen gehören der relativ niedrige Wirkungsgrad und das Fehlen zuverlässiger Informationen über die stabile Betriebsdauer der Paneele. Möglicherweise werden in 5-10 Jahren alle Nachteile organischer Solarfotozellen verschwinden, und sie werden zu ernsthaften Konkurrenten für Siliziumwafer.

Welches Solarpanel wählen?

Die Auswahl von Solarmodulen für Ferienhäuser auf dem Breitengrad 45-60° ist nicht schwierig. Hier kommen nur zwei Optionen in Betracht: polykristalline und monokristalline Siliziumpaneele.

Bei Platzmangel sollte man effizienteren Modellen mit einseitiger Kristallorientierung den Vorzug geben, bei unbegrenzter Fläche empfiehlt sich die Anschaffung polykristalliner Batterien.

Es lohnt sich nicht, sich auf Prognosen von Analyseunternehmen zur Entwicklung des Solarmodulmarktes zu verlassen, denn die besten Modelle sind möglicherweise noch nicht erfunden.

Die Wahl eines bestimmten Herstellers, der benötigten Leistung und der Zusatzausrüstung erfolgt am besten unter Beteiligung der Manager von Unternehmen, die solche Geräte verkaufen und installieren. Man sollte wissen, dass sich Qualität und Preis von Fotovoltaikmodulen bei den größten Herstellern kaum unterscheiden.

Es ist zu beachten, dass bei der Bestellung eines schlüsselfertigen Anlagenpakets die Kosten für die Solarmodule selbst nur 30-40% des Gesamtbetrags ausmachen. Die Amortisationszeit solcher Projekte beträgt 5-10 Jahre und hängt vom Energieverbrauch und der Möglichkeit ab, überschüssigen Strom ins städtische Netz zu verkaufen.

Einige Handwerker bevorzugen es, Solarmodule eigenhändig zusammenzubauen. Auf unserer Website gibt es Artikel mit detaillierten Beschreibungen der Herstellungstechnologie solcher Paneele, ihres Anschlusses und der Einrichtung von Solarheizsystemen.

Wir empfehlen, sich damit vertraut zu machen:

1. Wie man eine Solarbatterie selbst baut: Anleitung zur Eigenmontage
2. Solare Heizsysteme: Analyse der Technologien für die Heizungsinstallation auf Basis von Solaranlagen
3. Anschlussschema für Solarmodule: an den Regler, an die Batterie und die versorgten Systeme

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Die gezeigten Videos veranschaulichen die Arbeit verschiedener Solarmodule unter realen Bedingungen. Außerdem helfen sie Ihnen, die Auswahl des passenden Zubehörs zu verstehen.

Regeln für die Auswahl von Solarmodulen und Zubehör:

Arten von Solarmodulen:

Test von monokristallinen und polykristallinen Modulen:

Für Privathaushalte und kleine Industrieanlagen gibt es derzeit noch keine echte Alternative zu kristallinen Siliziummodulen. Die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer Solarmodultypen lässt jedoch hoffen, dass die Sonnenenergie bald zur Hauptstromquelle in vielen Landhäusern wird.

Allen Interessierten an der Auswahl und Nutzung von Solarmodulen empfehlen wir, Kommentare zu hinterlassen, Fragen zu stellen und sich an Diskussionen zu beteiligen. Das Kontaktformular befindet sich im unteren Bereich.