Photovoltaikmodule

«Aufbau und Arbeitsweise»

Obwohl deutschlandweit über 2 Mio. moderne Solaranlagen im Einsatz sind, ist über deren Funktionsprinzip erstaunlich wenig bekannt. Viele Betreiber wissen nicht einmal genau, welche Photovoltaikmodule auf ihrem Dach installiert wurden. Wir stellen Ihnen die unterschiedlichen Modultypen und deren Funktion genauer vor. Außerdem geben wir Ihnen noch einige Antworten auf zentrale Fragen bei der Anlagenplanung.

Physikalische Funktionsweise der Photovoltaikmodule

Aus technischer Sicht erfüllen Photovoltaikmodule die Aufgabe einer gewöhnlichen Halbleiterdiode: Unterschiedlich dotierte Potentiale werden von einer Sperrschicht (dem P-N-Übergang) getrennt. Legt man nun Spannung an, entsteht ein elektrisches Feld, das die Sperrschicht einseitig durchlässig werden lässt.

Die Solaranlage verwendet dafür freilich keine Netzkapazitäten. Sie nutzt stattdessen den von Heinrich Hertz entdeckten Photoeffekt. Damit wird folgendes Phänomen beschrieben: Jedes Photon bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durchs All. Trifft es auf eine fixe Metalloberfläche, wird die Bewegung in kinetische Energie umgewandelt, die ausreicht, um Valenzelektronen auf die äußere Atombahn zu zwingen. Schon die Kollision eines einzigen Photons kann zur Emission von Elektronen führen, sodass der Effekt auch bei geringer Lichtintensität auftritt. Gleich mehrere Arten von Photovoltaikmodule sind in der Lage, Solarenergie mit dieser Methode in Strom zu verwandeln. Aber auch bei der Warmwasseraufbereitung und zur Unterstützung der heimischen Heizung können Solarsysteme genutzt werden. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihres Halbleitermaterials, ihres Aufbaus und dem Wirkungsgrad, weshalb wir sie nun einzeln betrachten wollen.

Kristalline Zellen

Hier wird flüssiges Silizium mit Boratomen versetzt (dotiert) und dann in Blöcke gegossen. Nach dem Erkalten wird es in Scheiben gesägt und mit einer lichtabsorbierenden Schicht versehen. Die einzelnen Kristalle richten sich bei diesem Herstellungsverfahren unterschiedlich aus. An den Übergängen sind daher Verluste zu verzeichnen, weshalb diese Photovoltaikmodule optimale Lichtintensität benötigen, um den mittleren Wirkungsgrad von 20 % zu erzielen. Den Makel gleichen sie allerdings durch geringe Produktionskosten wieder aus.

Glas-Glas-Module

Eine Sonderform kristalliner Photovoltaikmodule. Sie ergänzt den Aufbau um eine zusätzliche Glasscheibe auf der Rückseite, wodurch ihre Zug- und Druckbelastbarkeit (ausgelöst durch Schnee oder Laub) erheblich ansteigt. Damit wird gleichermaßen die Empfindlichkeit gegen Wasserdampf und Reinigungschemikalien reduziert, sodass Glas-Glas-Module bevorzugt in einer exponierten Solaranlage eingesetzt werden. Die zusätzlichen Komponenten machen sich vor allem bei der Lebensdauer bezahlt, die auf 30 – 40 Jahre ansteigt. Entscheidende Vorteile beim Wirkungsgrad dürfen nicht erwartet werden, wenngleich es inzwischen teiltransparente Modelle gibt, bei denen das Licht die Photovoltaikmodule durchdringt. Sie eignen sich daher ebenso für die bauwerksintegrierte Photovoltaik an Fensterfronten, wie auch für Objekte, an denen Teilverschattung (Terrasse, Balkon, Carport) angestrebt wird.

Dünnschichtmodule

Neben dem schon bekannten Silizium kommen hier auch Cadmium- und Kupferlegierungen zum Einsatz. Das Material wird auf flexible Folien aufgedampft, wodurch die Bauteile letztlich besonders dünn (weniger als 1 cm) und leicht (maximal 20 kg pro Modul) daherkommen. Sie eignen sich daher auch für Flachdächer mit geringen Lastreserven. Der mittlere Wirkungsgrad liegt bei 18 %, was zunächst einen Nachteil gegenüber kristalliner Module bedeutet. Beim Schwachlichtverhalten (flacher Sonnenstand, Nebel, diffuses Licht) übertreffen sie indessen alle anderen Photovoltaikmodule. Dank jener Qualität und ihrer Flexibilität werden sie bevorzugt an Elektroautos und anderen Fahrzeugen angebracht.

Kollektoren und Sonderformen

Neben den drei etablierten Bauformen befinden sich mehrere Photovoltaik-Projekte im Forschungsstadium. Hierzu zählen HIT-Module, bei denen zwei separate Silizium-Schichten miteinander kombiniert werden. Während der kristalline Part Solarenergie bei direkter Einstrahlung effizient verwertet, reduziert die Hülle (amorphe Schicht) den Elektronenverlust bei diffusem Licht. Zurzeit wird damit ein Wirkungsgrad um die 20 % erreicht.

PERC-Module sind auf der untersten Ebene mit einer reflektierenden Schicht versehen, die den rotverschobenen Teil der Solarenergie (IR-Licht) nutzbar macht. Der Wirkungsgrad erhöht sich hierbei um etwa 1 %. Ihr Leistungsvermögen reduziert sich mit fortschreitender Lebensdauer jedoch schneller als das konventioneller Module, weil sie anfällig für Wassereinlagerungen sind.

Bifaziale (doppelseitige) Photovoltaikmodule können Solarenergie auf der Vorder- und Rückseite nutzen. Dies macht etwa bei Flachdachkonstruktionen Sinn, um Reflektionen von der Dachfläche ebenfalls zu nutzen. Darüber hinaus könnte die Technik zur vertikalen Nutzung der Photovoltaik in der Agrarindustrie beitragen. Der Wirkungsgrad der Solaranlage verdoppelt sich jedoch nicht, sondern erreicht systembedingt maximal 35 %. Warum Photovoltaik nutzen, wenn man auf dem Dach auch thermische Effekte einfangen kann? Die Frage ist berechtigt, weil sie bis zu 75 % der Solarenergie ausmachen. Hierfür stehen moderne Solarkollektoren zur Verfügung, in denen eine unter Vakuum stehende Solarflüssigkeit zirkuliert. Sie emittieren im Durchschnitt 15 % der Sonnenstrahlen und heizen sich dabei zuweilen auf über 300 °C auf. Dies ist an kalten Winterabenden sehr wohl ein Pluspunkt, geht aber zulasten der Anlagensicherheit (Stichwort: Brandgefahr).

Welche Photovoltaikmodule bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis?

Kristalline Photovoltaik-Komponenten haben hier aufgrund der simplen Bauweise die Nase vorn. Das schließt auch die doppelt verglaste Alternative mit ein. Welches Modell im Einzelfall den Vorzug erhält, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab: Freistehende Häuser mit viel direkter Sonneneinstrahlung eignen sich sehr gut für die konventionelle Variante, während Glas-Glas-Produkte in schattigen Reihenhaussiedlungen zur Geltung kommen.

Wie viele Photovoltaikmodule brauche ich fürs Einfamilienhaus?

Unabhängig von der Bauart muss mit 10 m² Dachfläche für jedes generierte Kilowatt kalkuliert werden. Ein 4-Personen-Haushalt verbraucht durchschnittlich 4.000 kWh im Jahr. Da die Photovoltaikanlage an der Solarstation bzw. dem Speicher und dem Wechselrichter weitere Verluste zu verzeichnen hat, sollte die Energiequelle immer leicht überdimensioniert werden. Im vorliegenden Beispiel wären damit Photovoltaikmodule mit der Gesamtfläche von 50 m² angemessen. Zum Vergleich: Solarkollektoren beanspruchen zur Heizungsunterstützung etwa 3 m² Dachfläche pro Mitbewohner.

Warum Photovoltaik-Pflicht nur mit höherer Förderung sinnvoll ist

Der Anteil der Photovoltaik am Strommix lag 2020 bei 8,6 % (54 Gigawatt). Der Wert soll bis 2030 auf 200 Gigawatt anwachsen. Somit ist es kein Wunder, dass die Rufe nach einer bundesweiten Photovoltaik-Pflicht für Neubauten lauter werden. Die Baubranche weist beständig darauf hin, dass dies unter den aktuellen Rahmenbedingungen nicht funktionieren wird. So ist es dringend erforderlich, die EEG-Vergütung, die monatlich um 1,4 % reduziert wird, nachhaltig zu erhöhen und an die neuen Bedürfnisse anzupassen. Die Photovoltaikanlage wird sich ansonsten spätestens 2023 selbst mit Eigenverbrauch nicht mehr wirtschaftlich betreiben lassen. Dazu gesellt sich der Fachkräftemangel, der die Kapazitäten der Produktionsbetriebe schon heute erheblich einschränkt. Hier kann mittelfristig über gezielte Förderprogramme und verbesserte Ausbildungsinhalte gegengesteuert werden.

Welche Pläne hat die Ampelregierung für die Photovoltaikanlage?

Das neugeschaffene Ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) möchte 2022 zwei Gesetzespakete auf den Weg bringen. So sollen zunächst im Frühjahr die Weichen für höhere Ausschreibungsmengen gestellt werden. Außerdem möchte man den Grundsatz verankern, dass der Ausbau von Wind-, Wasser- und Solarenergie im öffentlichen Interesse ist und ihrer Sicherheit dient.

Im zweiten Schritt wird dann ein breites Spektrum an Einzelmaßnahmen angestrebt, um die den Ausbau der Photovoltaik zu beschleunigen (Solarbeschleunigungspaket). Hierzu zählen die Anhebung der Bagatellgrenzen, Verbesserung beim Mieterstrom und die vermehrte Nutzung öffentlicher Flächen.

Enthalten die Module giftige Substanzen?

Siliziumbasierte Module enthalten Blei, und zwar an den Lötstellen, als auch an den Übergängen zwischen Metall und Gehäuse. Wenn das Deckglas beschädigt ist, kann die Substanz über längere Zeiträume ausgespült werden und damit ins Grundwasser gelangen. Ausgediente Photovoltaik-Komponenten sind dementsprechend als Giftmüll zu entsorgen. Gleiches gilt für Solarkollektoren, deren Frostschutzmittel nicht umweltverträglich daherkommt.

Erhöht die Photovoltaikanlage das Brandrisiko?

Der Presse sind regelmäßig Meldungen zu entnehmen, in denen berichtet wird, dass die Feuerwehr Häuser, auf denen eine Photovoltaikanlage installiert wurde, kontrolliert abbrennen lässt. Die Gefahr für die Mitarbeiter sei dort zu hoch, heißt es. Sie ergibt sich zunächst daraus, dass sich die Anlage nicht komplett spannungsfrei schalten lässt – die Wechselstromseite kann deaktiviert werden, die Gleichspannungsseite hingegen nicht. Löschwasser kann so unter Strom gesetzt werden und tödliche Unfälle provozieren. Dazu kommt ein verändertes Einsturzverhalten: Dächer mit Photovoltaikanlage stürzen eher nach innen ein.