Wie wird mit einem Solarmodul Strom erzeugt?

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Wie wird mit einem Solarmodul Strom erzeugt?

Das Solarmodul ist der Grundbaustein einer jeden Photovoltaik-Anlage. Aus 60 Zellen setzt sich das Modul durchschnittlich zusammen und besteht aus Silizium. Damit bei sonnigen Tagen Strom erzeugt werden kann, wird das Silizium gezielt mit Bohr- und Phosphoratomen verunreinigt. Der Fachbegriff dafür ist Dotierung. Durch Dotierung wird ein pn-Übergang erzeugt, ein sozusagen elektrisches Feld. Die Silizium-Phosphor-Schicht ist negativ geladen (n). Die Silizium-Bohr-Schicht ist positiv (p). Der Übergang zwischen den beiden Schichten ist der sogenannte pn-Übergang. Durch den Einfall von Sonnenlicht auf die Moduloberfläche, lösen sich Ladungsträger aus den Kristallbindung, die durch das elektrische Feld zu den äußeren Kontakten transportiert werden - Strom fließt.

Welche Solarzellen gibt es?

Monokristalline Solarzellen

Silizium wird geschmolzen. Ein kalter Impfkristall aus hochreinem Silizium wird in flüssiges Silizium eintaucht und langsam unter Drehbewegungen herausgezogen. An diesem Stab erstarrt die Schmelze mit einer gleichmäßigen Kristallausrichtung über eine Länge von mehreren Metern. Aus dem länglichen Kristall werden dünne Scheiben (Wafer) von 250 bis 350 µm Dicke herausgeschnitten. Mit dieser Herstellung bekommt die Solarzelle eine regelmäßige Kristallstruktur und einen geringeren elektrischer Widerstand. Dadurch entsteht eine höhere Leistung, als bei einem Kristall, welcher aus vielen kleinen Kristallen zusammengesetzt (bzw. Polykristalline Solarmodule).

Polykristalline Solarzellen

Bei der Herstellung einer polykristallinen Solarzelle wird im ersten Schritt das Silizium geschmolzen und in Blöcke gegossen.  Bei der Abkühlung entstehen zahlreiche kleine Siliziumkristalle, welche verschiedene Größen aufweisen. Nach der Erstarrung werden die Blöcke zu Wafern geschnitten. Durch die einfachere Herstellung fallen geringere Kosten an, als bei monokristallinen Solarmodulen.

Dünnschicht (amorphe) Solarzellen

Amorphe Siliziumzellen sind in Dünnschicht Modulen verbaut. Bei dieser Technologie wird nur eine dünne Schicht Silizium auf ein Trägerprofil aufgedampft. Diese Technologie arbeitet ohne Wafer. Da weniger Silizium zum Einsatz kommt, als bei herkömmlichen Modulen, ist der Wirkungsgrad geringer. Zu den Vorteilen zählt zum einen ein konstanter Stromertrag bei schwachem oder selbst diffusem Sonnenlicht. Bei erhöhten Temperaturen kann Strom ohne hohe Verluste produziert werden.

Wie ist ein Solarmodul grundsätzlich aufgebaut?

Glas-Folien Solarmodule

Nach der Herstellung der Photovoltaik-Zellen kann das Solarmodul gefertigt werden. Das Modul baut sich auf mehreren Zellen auf, welche in Reihe- oder Parallel verschalten werden. Die unterste Schicht besteht aus einer witterungsfesten Kunststoffverbundsfolie. Die Zellen sind von einer Kunststoff- oder Gießharzschicht umgeben. Diese Schicht schützt die Zellen gegen Korrosion. Die oberste Schicht ist eine Glasplatte, welche dem Modul die benötige Stabilität verspricht. Diese schützt vor Umwelteinflüsse, wie bspw. Starkregen oder Hagel. Die unterschiedlichen Schichten sind mit einem Aluminiumrahmen fixiert. Je nach Hersteller gibt es Rahmen in verschiedenen Farbausführungen (Silber, Schwarz). Glas-Folien Module sind günstig in der Herstellung und kommen am häufigsten zum Einsatz.

Glas-Glas Solarmodule

Glas-Glas-Solarmodule sind durch Ihren Aufbau sehr robust und haben daher einen geringen Leistungsabfall. Die Solarzellen sind zwischen zwei dünnen Glasscheiben besonders geschützt. Im Gegensatz zu Glas-Folien Modulen halten sie höhere Belastungen stand und sind dadurch weniger anfällig für Zellrisse.

Verschiedene Solarmodule für unterschiedliche Anwendungen

Glas-Glas Module

Glas-Glas-Solarmodule sind besonders beliebt wegen Ihrer Durchlässigkeit von Tageslicht. Zu den Einsatzbereichen zählen integrierten Photovoltaik-Dachlösungen, Solar-Carports, Glasdächer, Fassaden oder im landwirtschaftlichen Sektor.

Hochleistungsmodule

Hochleistungsmodule werden bei Montagen mit eingeschränkter Fläche eingesetzt (bspw. im Eigenheim). Diese Solarmodule besitzen hohe Wattklassen und effiziente Wirkungsgrade. Dadurch kann trotz kleiner Fläche ein Maximum an Leistung aus der Photovoltaikanlage entnommen werden.

Projektmodule

Als Projektmodul wird häufig ein günstiges Glas-Folien Solarmodul bezeichnet. Einsatz sind hier meist Freiflächen-, Gewerbe- oder auch Aufdachanlagen mit einer Vielzahl von Modulen.

Solarmodule mit integriertem Optimierer

Bei Dächern mit umliegenden Störflächen, welche eine Teilverschattung auf den Modulen verursachen sind Optimierer sinnvoll. Die Optimierer wirken sich positiv auf den Modul-String aus bei einer Reihenverschaltung.  Sie steigern den Leistungsertrag von Photovoltaik-Anlagen indem Sie auf Modulebene jedes einzelne Modul ansteuern (MPP-Tracking) und somit die maximale Leistung an den String weitergeben wird.

Aber auch bei einer Montage der Module mit verschiedenen Ausrichtungen, Neigungen oder Modultechnologien lassen sich der Optimierer als besonders effizient einsetzen.

Wichtige Merkmale bei Photovoltaikmodulen

Leistung

Die Leistungsspanne von Photovoltaikmodulen ist sehr breit gefächert. Je nach Wunsch der Gesamtleistung und vorhandener Dachfläche wird meist eine Leistungsklasse ausgewählt. Bei kleineren Hausdächern wird bspw. meist ein Modul mit hoher Wattzahl (Hochleistungsmodul) bevorzugt.

Wirkungsgrad

Grundsätzlich spiegelt der Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen der Eingangs- und Ausgangsleistung wider. Der Modulwirkungsgrad wird unter standardisierten Testbedingungen ermittelt. Je höher der Wirkungsgrad, desto höher ist die Ausgangsleistung des Solarmoduls.

Temperaturkoeffizient

Photovoltaik-Module weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Der Temperaturkoeffizient eines Solar-Moduls verdeutlicht, um wie viel Prozent die Leistung und damit auch der Wirkungsgrad pro Grad Celsius Temperaturerhöhung des Moduls sich verschlechtert. Der Grund hierfür ist, dass die erzeugte Spannung in den Solarzellen bei zunehmender Temperatur sinkt.

Leerlaufspannung

Solarzellen weisen eine Leerlaufspannung auf, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, d.h. kein Solarstrom abgenommen wird.

Hersteller- und Leistungsgarantie

Ein entscheidender Parameter bei der Wahl eines Solarmoduls ist auch die Hersteller- und Leistungsgarantie.

Die Leistungsgarantie bezieht sich auf eine garantierte Leistung (meist in Prozent definiert), die das Photovoltaik-Modul nach einigen Jahren noch erbringen sollte. Der Leistungsabfall eines Photovoltaik-Moduls liegt meist bei rund 20 % innerhalb von 10 – 20 Jahren.

Die Herstellergarantie oder auch Produktgarantie oftmals genannt, bezieht sich auf die Verarbeitung bzw. das Material des Moduls.

Schnee- und Windlast (maximale Belastbarkeit des Solarmodules)

Bei der Wahl eines Solarmodules sollte auf die geografische Lage geachtet werden. Manche Regionen sind besonders von hohen Schneelasten und Windlasten geplagt. Schnee kann auf der Solaranlage hohe Gewichtsmassen erzeugen und bspw. Schneedruckschäden verursachen. Nicht zu vernachlässigen ist auch die Windlast. Bei der Flach- oder Schrägdachmontagen können die Windkräfte so stark werden, dass sich beispielweise ein Windsog bildet und die Photovoltaikanlage von ihrer Befestigung löst.

Modulhersteller verweisen in ihren Datenblätter auf die maximalen Druckbelastungen bei Schnee- und Windlast.

 

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