Das Herzstück jeder Photovoltaik-Anlage sind natürlich die Module, die auf dem Dach auch prominent sichtbar sind. Die Module haben zugleich auch eine der wichtigsten Aufgabe: Die Sonnenenergie in Strom umwandeln. Doch wie genau funktionieren die Photovoltaik-Module (PV-Module) eigentlich? Und welche Unterschiede gibt es bei der Auswahl von geeigneten Modulen für die eigene Anlage?
Der Solarom-Ratgeber für PV-Module
All diesen Fragen wollen wir in diesem Ratgeber nachgehen, der eine umfassenden Überblick zu PV-Modulen, deren Funktionsweise, Materialien, Arten und Herstellern geben soll. In der Erarbeitung haben wir darauf geachtet, dass Sie natürlich auch nur einzelne Abschnitte lesen können und diese somit in sich geschlossene Kapitel darstellen. Durch einen Klick auf eine Überschrift im Inhaltsverzeichnis gelangen Sie direkt zur für Sie relevanten Stelle.
1. Was ist ein Photovoltaikmodul?
Ein PV-Modul, oft auch Solarpanel oder Solarmodul genannt, besteht aus mehreren Solarzellen, die das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die Solarzellen sind dabei von mehreren Schichten umgeben und werden durch ein Glas sowie den Aluminiumrahmen vor äußeren Einflüssen geschützt. Einzelne PV-Module können dabei wie Bausteine genutzt und miteinander verbunden werden, um so auf Hausdächern oder in großen Solarparks als PV-Anlage Sonnenstrom zu erzeugen.
1.1 Wie funktioniert ein PV-Modul: Wie produziert ein PV-Modul Strom?
Der Schlüssel zur Stromerzeugung durch ein PV-Modul (Solarmodul) liegt dabei in der Solarzelle. Ein Solarmodul besteht in der Regel aus 60 bis zu 72 einzelnen Solarzellen, die miteinander verbunden sind. Gemeinsam haben alle Solarzellen in einem Modul dann eine Gesamtleistung von aktuell zwischen 350 Watt und 450 Watt.
1.2 Solarzelle vs PV-Modul: Hier liegt der Unterschied
Viele Solarzellen sind in einem PV-Modul enthalten – das ist im Kern der Unterschied, auch wenn die Begriffe umgangssprachlich häufig vertauscht werden. Eine Solarzelle nutzt dabei den sogenannten „photovoltaischen Effekt”, um Strahlungsenergie – also Licht – in elektrische Energie umzuwandeln. Streng genommen erzeugt also nicht das PV-Modul den Strom, sondern die darin enthaltenen Solarzellen.
1.3 Wirkungsgrad von PV-Modulen
Generell ist der Wirkungsgrad ein Maß für Effizienz. Bei Solarmodulen bzw. dann wiederum den Solarzellen beschreibt der Wirkungsgrad, wie viel der einstrahlenden Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann: Also wie viel Strom aus der Sonnenenergie gewonnen wird. Typischerweise haben Solarmodule, die auf einem Hausdach montiert werden, einen Wirkungsgrad von 15% bis 22%. Auch wenn das unter Umständen zunächst niedrig klingt, ist dies gar nicht weiter tragisch, da uns das Sonnenlicht ja nichts kostet. Der Rest der Energie wird z.B. in Wärme umgewandelt oder auch reflektiert.
Bestimmte Formen der Solarzellen können auch nur deutlich niedrigere Wirkungsgrade von unter 10% erreichen. Wichtig ist dabei noch, dass generell der individuelle Wirkungsgrad eines PV-Moduls immer höher ist als der gesamte Wirkungsgrad einer PV-Anlage. Dies ist den Verlusten der Anlage, z.B. durch die Leitungslänge oder den Wechselrichter, zuzuschreiben.
2. Aufbau und Materialien eines PV-Moduls
Die PV-Module auf dem Dach sind dem Wetter ausgesetzt: Sonne, Regen, Sturm, Hagel und Schnee müssen sie über ihre Lebenszeit von über 20 Jahren standhalten können. Damit dies gelingt, werden bei der Herstellung von PV-Modulen robuste und zugleich auch leichte Materialien eingesetzt.
2.1 Aufbau eines PV-Moduls
Die Solarzellen in einem PV-Modul müssen natürlich einerseits geschützt und andererseits auch miteinander elektrisch verbunden werden. Hierzu ist ein typisches PV-Modul wie folgt aufgebaut (von oben nach unten):
- Aluminiumrahmen
- Glasscheibe
- Einbettungs- bzw. Verbundfolie für Solarzellen
- Solarzellen
- Erneut eine Einbettungs- bzw. Verbundfolie
- Rückseitenfolie (oder Glasscheibe)
- Anschlussdose für Verkabelung
2.2 Materialien für Solarzellen: Warum Silizium der Markstandard ist
Es gibt natürlich unterschiedliche Formen der Solarzellen, wobei die meisten aus Silizium als Halbleitermaterial gefertigt werden. Dies hat – neben der Funktionalität – den einfachen Grund, dass das Material nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht: Silizium ist nach Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element in unserer Erdkruste!
Silizium wird dabei häufig aus Quarzsand gewonnen und in Siliziumblöcke oder -stäbe hergestellt. Silizium kann entweder monokristallin (verhältnismäßig teurer) oder polykristallin (Scheiben, die nicht überall die selbe Kristallorientierung aufweisen) für Solarzellen genutzt werden. Daneben gibt es auch noch eine amorphe Form, die für Dünnschichtzellen genutzt wird.
Interessant dabei: Die Herstellung von Silizium ist sehr energieintensiv. Allerdings hat eine Solarzelle nach 0,4 bis 1,4 Jahren schon mehr Energie erzeugt, als zur Herstellung insgesamt benötigt wurde! In Deutschland beträgt diese sogenannte „Energy Payback Time” etwa 1,28 Jahre.
2.3 Werden auch andere Materialien außer Silizium für PV-Module verwendet?
Neben Silizium werden auch andere Halbleitermaterialien, wie z.B. Galliumarsenid (oft in der Raumfahrt genutzt) oder Cadmiumtellurid (CdTe, genutzt bei manchen Dünnschichtsolarzellen) verwendet. Herausforderungen im Vergleich zu Silizium sind dabei aber die niedrigen Wirkungsgrade, oft teure Herstellungsprozesse und die geringere Materialverfügbarkeit. In der Forschung werden auch organische Solarzellen (OPV) untersucht, die besonders kostengünstig sein könnten. Allerdings scheitern diese noch an der recht kurzen Lebensdauer von nur ca. 5.000 Stunden. Daher ist die kurze Antwort, ob auch andere Materialien außer Silizium für Solarmodule und Solarzellen genutzt werden: Ja, aber für PV-Dachanlagen eigentlich nicht.
3. PV-Module: Welche Arten und Typen gibt es?
PV-Module für Heimanwendungen gibt es in unterschiedlichen Typen und Arten. Dabei sind für PV-Neulinge die technischen Begriffe wie Typ-N, Monokristallin oder bifazial häufig unklar. In den Dschungel dieser Begrifflichkeiten bringen wir nun etwas Klarheit.
3.1 Glas-Folie oder Glas-Glas PV-Module
Häufig wird unterschieden in eine Glas-Folie- oder Glas-Glas-Ausführung der Solarmodule. Beide können quasi identisch ausgeführt sein und verfügen über sogenannte „Dickschicht” Solarzellen aus Siliziumkristallen. Der Unterschied ist dabei im Aufbau der PV-Module – und zwar auf der Rückseite: Ein Glas-Folie-Modul nutzt als Unterseite eine Folie. Bei einem Glas-Glas-Modul kommt hingegen eine Glasscheibe zum Einsatz. Abgesehen davon können Glas-Folie- und Glas-Glas-Module ansonsten identisch ausgeführt sein und verfügen auch über ähnliche Eigenschaften, was deren Wirkungsgrad und Leistung angeht.
Effizient und günstig: Glas-Folie Module
Glas-Folie hat sich in der Vergangenheit bewährt und überzeugt vor allem durch ein etwas niedrigeres Gewicht (rund 20kg pro Solarmodul) und einen etwas günstigeren Preis (aktuell rund 10% günstiger als ein identisches Glas-Glas-Modell). Da die Rückseite allerdings „nur” durch eine Folie geschützt ist, haben diese Module in puncto Langlebigkeit und mechanische Belastbarkeit Nachteile gegenüber Glas-Glas-Modulen. Daher geben viele Hersteller zum Beispiel nur 10 bis 20 Jahre Garantie auf Glas-Folie-Module.
Langlebig und maximal hochwertig: Glas-Glas Module
Für die Doppelglas-Ausführung der PV-Module kommt auf der Rückseite ein ca. 2mm dickes Glas zum Einsatz. Dieses ist witterungsbeständiges, thermisches Glas und sorgt für bessere mechanische Belastbarkeit und Schutz vor äußeren Einflüssen. Gegenüber Glas-Folie-Module macht sich diese bessere Haltbarkeit allerdings auf zwei Dimensionen bemerkbar: Die Module sind ca. 20% schwerer (ein Doppelglas-Solarmodul wiegt etwa 25kg) und auch teurer als Glas-Folie-Module. Dafür geben die Hersteller in der Regel längere Produktgarantien auf die hochwertigen Glas-Glas-Ausführungen: 20 bis sogar 30 Jahre sind hier je nach Hersteller möglich.
3.2 Dünnschicht PV-Module: Flexibel, aber weniger effizient
Neben den aufgeführten Glas-Folie- und Glas-Glas-PV-Modulen – die auch zusammen als Dickschickt Solarmodule bezeichnet werden – gibt es auch sogenannte Dünnschicht PV-Module. Grundsätzlich kommen hier andere Solarzellen zum Einsatz, deren Herstellung sich grundlegend von den Dickschicht-Solarzellen unterscheidet. Das Silizium für Dünnschicht-Solarzellen muss nicht unter Reinraumbedingungen geschnitten werden und wird direkt auf ein Trägermaterial (Glas, Folie oder Metall) gedampft oder gesprüht. Häufig wird hier amorphes statt kristallines Silizium oder auch andere Halbleitermaterialien genutzt.
Nachteile von Dünnschicht PV-Modulen: Wirkungsgrad
Auf privaten Häusern finden Dünnschicht PV-Module in der Regel wenig Anwendung, da ihr Wirkungsgrad (10% bis 13%) etwa halb so groß ist, wie bei Dickschicht Modulen. Da auf privaten Dächern in der Regel der Platz begrenzt ist, kann der Ertrag durch Dickschicht Module maximiert werden. Außerdem ist die Haltbarkeit von Dünnschicht-Modulen noch deutlich geringer, wobei in diesem Bereich natürlich weiterhin geforscht und optimiert wird.
Vorteile von Dünnschicht PV-Modulen: Flexibel, besserer Ertrag bei ungünstigem Licht und günstiger
Dünnschicht Module bieten aber auch einige Vorteile, gerade für Anwendungen in Solarparks oder großflächigen Anlagen: Zum einen sind sie etwa ein Drittel bis zur Hälfte günstiger als Dickschicht-Module und verfügen somit über einen erheblichen Preisvorteil in der Anschaffung. Darüber hinaus sind sie flexibel Einsetzbar und teilweise sogar biegbar. In Fassaden oder architektonisch anspruchsvollen Gestaltungen können sie auch integriert werden, da sie gleichmäßig gefärbt sind und der Übergang zwischen Solarzellen quasi nicht sichtbar ist. Ein weiterer Vorteil der Solarzellen in Dünnschicht Modulen ist, dass sie bei ungünstigen Lichtverhältnissen einen besseren Ertrag erzielen können. Für PV-Anlagen, die stark von der idealen Ausrichtung einer Solaranlage abweichen, könnten sie in Einzelfällen also auch bessere Erträge liefern.
3.3 Weitere Unterscheidungskriterien und Spezifika von PV-Modulen
Neben den Glas-Glas und Glas-Folie sowie der Dünnschicht-Module gibt es natürlich noch weitere Varianten und Unterscheidungskriterien von PV-Modulen, die häufig in Typenbezeichnungen oder technischen Beschreibungen genutzt werden. Diese sind aber teilweise unabhängig von Dick- und Dünnschicht und werden daher nachfolgend aufgeführt.
Mono- oder Polykristallin: Was ist der Unterschied bei Photovoltaikmodulen?
Häufig wird ein Solarmodul um die Angabe „monokristallin” oder „polykristallin” ergänzt. Das bezieht sich auf die verbauten Solarzellen und hat damit Einfluss auf die Stromerzeugung:
- Monokristalline Solarzellen
- Sind aus einem einzelnen Siliziumkristall gewonnen und geschnitten
- Dies ist in der Produktion wesentlich aufwändiger, folglich auch teurer
- Dafür haben sie einen besseren Wirkungsgrad
- Haben eine schwarze Optik
- Polykristalline Solarzellen
- Bestehen aus Siliziumkristallen in unterschiedlicher Anordnung
- Die Herstellung und Verarbeitung ist einfacher, wodurch sie auch günstiger sind
- Dafür aber haben sie gegenüber den monokristallinen Zellen einen schlechteren Wirkungsgrad
- Haben eine bläulich-schimmernde Optik
Durch die unterschiedlichen Wirkungsgrade kann man sagen, dass man für eine Leistung von 1 kWp (Kilowattpeak) bei monokristallinen Zellen etwa 6 bis 9 Quadratmeter Dachfläche benötigt, bei polykristallinen Zellen hingegen 7 bis 10 Quadratmeter. Bei vergleichsweise wenig Platz auf dem Dach sollte also tendenziell eher zu monokristallinen Modulen gegriffen werden: Auch wenn diese in der Anschaffung zunächst leicht teurer sind, so amortisiert sich dies über die Laufzeit.
Bifaciale PV-Module: Was bedeutet das?
Teilweise werden auch bifaciale (oder bifaziale) PV-Module angeboten. Diese ermöglichen bei gleicher Fläche einen höheren Ertrag – was zunächst natürlich gut klingt. Bei herkömmlichen Solarmodulen wird das auf die Vorderseite einfallende Sonnenlicht genutzt. Bifaciale Module hingegen können auch von unten einfallendes Licht nutzen – also auch vom Untergrund reflektiertes Licht.
So sind Mehrerträge von 5% bis sogar 30% möglich. Das hängt allerdings stark vom Installationsort und dem „Untergrund” ab, der wiederum das Sonnenlicht reflektiert. Bei herkömmlichen Hausdächern mit dunklen Ziegeln wird vergleichsweise wenig Licht reflektiert, zumal die Module nah über der Dachfläche installiert werden. Bei Carports oder Installationen, bei denen unter den Modulen ein größerer Abstand zum Boden vorhanden ist, könnten allerdings signifikante Mehrerträge realisiert werden.
N-Typ oder P-Typ Photovoltaikmodule?
Eine Solarzelle aus Silizium wird in zwei Bereiche ihrer Leitfähigkeit eingeteilt: Ein Bereich ist n-leitend, der andere p-leitend. Bei einer P-Typ Solarzelle ist die Basis Positiv geladen (p), N-Typ Solarzellen sind umgekehrt gebaut, also mit einer n-dotierten Seite als Basis. In der Vergangenheit waren P-Typ Zellen vorherrschend. Mittlerweile bieten einige Hersteller auch N-Typ Zellen an, die über einen höheren Wirkungsgrad verfügen.
Was sind Half-Cut-Zellen?
Ebenfalls verfügen einige Module über die Bezeichnung Half-Cut (HC). Das bedeutet, dass diese Module statt bspw. aus 60 Solarzellen aus 120 kleineren Zellen bestehen. Dadurch können bspw. verschattete Stellen durchgeschaltet werden, sodass bei einer verschatteten Stelle nicht das ganze Modul weniger Leistung liefert.
Design-Module: Full Black PV-Module – und warum sind manche Module blau?
Vor einigen Jahren dominierte bei Solarmodulen noch ein blaues Erscheinungsbild. Das liegt in der Wahl der Solarzelle begründet. Mittlerweile sind die meisten Solarzellen monokristallin und damit schwarz. Da die PV-Module auf dem Dach natürlich auch das Erscheinungsbild eines Gebäudes beeinflussen, haben sich Hersteller auch vermehrt auf das Design fokussiert. So gibt es auch sog. „Full-Black” Module, die auch über einen schwarzen Rahmen sowie eine schwarze Folierung verfügen und damit ein gänzlich schwarzes Erscheinungsbild besitzen.
Gegenüber den Standard-Modulen haben „Full-Black” Module einen leichten Nachteil, was die Stromerzeugung angeht: Schwarze Oberflächen erhitzen sich schneller und stärker, sodass auch die PV-Module wärmer werden. Bei steigender Temperatur aber sinkt der Wirkungsgrad der Solarzellen, sodass bei Full-Black Modulen ein etwas niedrigerer Ertrag zu erwarten ist. Dieser Verlust beträgt aber nur 0,3% bis 0,4%.
3.4 Leistung von PV-Modulen
PV-Module besitzen eine Leistung pro Modul von 50 Wp (Wattpeak) bis aktuell etwa 450 Wp. Typischerweise werden momentan Module mit einer Leistung von 350 bis 450 Wp verbaut. Da aber nicht alle Module gleich groß sind, sollte hier stets eine Abwägung der Leistung pro Fläche (also beispielsweise Wattpeak pro Quadratmeter) erfolgen, um eine optimale Ausbeutung zu ermöglichen.
Zur Einordnung kann man als Faustregel annehmen, dass ein Modul pro 100 Wattpeak Leistung im Winter etwa 50 Wattstunden Strom pro Tag erzeugt und im Sommer etwa 750 Wattstunden (0,75 kWh) pro Tag.
4. PV-Module Hersteller
Der Großteil aller PV-Module wird mittlerweile in China produziert und auch in Deutschland entsprechend aus China importiert: Laut Statistischem Bundesamt kamen 87% der importierten PV-Anlagen aus China.
4.1 Marktüberblick: Das sind die beliebtesten Hersteller von PV-Modulen
Sechs der sieben größten Hersteller von PV-Modulen – gemessen an der ausgelieferten Leistung in Gigawatt – sind aus China. Lediglich der kanadische Hersteller CandianSolar, auf Platz 6 von 7, kann sich in diesem Ranking eine Platzierung sichern. In der nachfolgenden Grafik ist auch die Entwicklung seit 2017 nachzuvollziehen – wie ersichtlich ein recht dynamisches Wettbewerbsumfeld, was aber wiederum zu einem gewissen Preisdruck führt, der direkt auf die Investitionskosten bei einer PV-Anlage durchschlägt und diese senkt.
Auf deutschen Dächern sind unter anderem besonders die Module von JA Solar, JinkoSolar, Trina, Canadian Solar und Sun Power beliebt.
4.2 Deutsche Hersteller von PV-Modulen
Traditionell war die Solarindustrie in Deutschland bis etwa 2010 stark vertreten. Obwohl sich in den vergangenen 15 Jahren die Solarindustrie verstärkt nach China verlagert hat, gibt es auch weiterhin deutsche Hersteller von PV-Modulen. Dazu zählen unter anderem folgende Firmen, die noch in Deutschland Solarmodule herstellen:
- Aleo
- AxSun
- Heckert Solar
- Luxor
- Meyer Burger Technologies
- Solar-Fabrik
- Solarwatt
- Sonnenstromfabrik
5. Weitere, häufige Fragen zu PV-Modulen
5.1 Wie viel Strom erzeugt ein PV-Modul?
Stark vereinfacht kann man annehmen, dass 1 kWp Leistung etwa 1.000 kWh Strom pro Jahr erzeugen kann – je nach Lage sind es in Deutschland zwischen 900 kWH und 1.150 kWh pro Kilowattpeak. Dementsprechend würde ein einzelnes Solarmodul mit 400Wp Leistung ca 400 kWh Strom erzeugen. Könnte man den Strom komplett selbst nutzen und bezahlt sonst 0,40€ pro kWh, entspräche das einer Ersparnis von 160€ pro Jahr pro Modul.
5.2 Wie groß ist ein PV-Modul?
Die Größen von PV-Modulen sind noch nicht standardisiert, sodass unterschiedliche Maße möglich sind. Ein 400Wp Modul ist ca 1,70m x 1,20m groß und hat somit eine Fläche von 2,04m². Im Juli 2023 haben sich die größten PV-Modul-Hersteller auf eine mögliche Normierung geeinigt und schlagen eine neue Größe von 2,38m x 1,13m (genauer: 2.382mm x 1.134mm) vor.
5.3 Wie schwer ist ein PV-Modul?
Durchschnittlich wiegt ein PV-Modul zwischen 20kg und 28kg. Glas-Folie-Module sind dabei eher bei ca. 20kg, Glas-Glas-Module bei etwa 26kg. Insgesamt mit Unterkonstruktion wiegt eine durchschnittliche 10 kWp Anlage (25 Module) dann ca. 750kg bis 900kg. Diese Lasten können Dächer in Deutschland in aller Regel zusätzlich bedenkenlos tragen, zumal sich die Last auf eine große Fläche verteilt.
5.4 Wie lange ist die Lebensdauer eines PV-Moduls?
Die Lebensdauer von PV-Modulen wird auf mindestens 20 Jahre, eher 30 bis 35 Jahre geschätzt. Gegen Ende der Lebensdauer ist zwar mit niedrigeren Erträgen zu rechnen, aber dennoch kann ein PV-Modul bis zum Ende Strom erzeugen.
5.5 Wie lange gibt es Garantie auf PV-Module?
Hersteller geben in der Regel Garantien zwischen 5 und 25 Jahren. Wichtig ist dabei, zwischen der Produktgarantie und der Leistungsgarantie zu unterscheiden. Die Produktgarantie beläuft sich bei Solarmodulen in der Regel auf 5 bis 10 Jahre. Im Rahmen der Produktgarantie wird eine Mängelfreiheit, also dass es keine technischen Schäden gibt, garantiert. Die Leistungsgarantie hingegen fällt großzügiger mit bis zu 30 oder sogar vereinzelt 40 Jahren aus. In dieser definiert der Hersteller, zu welchem Zeitpunkt ein Modul noch welche Leistung erbringt. Hier gilt entweder ein linearer Leistungsabfall von 0,5% bis 1% pro Jahr, oder aber ein zweistufiges Modell mit mindestens 90% Leistung in den ersten 10 Jahren und anschließend 80% Leistung bis zum Garantieende.
5.6 Was kostet ein PV-Modul?
Endverbraucher können im Internet teilweise ein 400Wp Modul für rund 70€ erwerben. Die Preise schwanken hier aufgrund der globalen Verfügbarkeit und einer starken Überproduktion in 2023. Durchschnittlich bewegt sich der Preis für ein PV-Modul bei rund 0,20€ bis 0,40€ pro Wattpeak Leistung.