Photovoltaikmodule bzw. PV-Module oder Solarmodule wandeln Sonnenlicht über Solarzellen in Strom um. Sie sind der wichtigste Bestandteil der Solaranlage und befinden sich je nach Anlagentyp meist auf dem Dach, an der Fassade oder am Balkon.
Unterschieden wird in monokristalline sowie polykristalline PV-Module. Außerdem gibt es Dünnschichtmodule, Photovoltaikmodule aus organischem Material. Und in der Entwicklung befinden sich Tandem-Solarzellen und Konzentrator-Photovoltaik-Moudle (CPV).
Derzeit am effektivsten sind monokristalline PV-Module bzw. monokristalline Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 23%. Polykristalline PV-Module erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 20%, danach folgen Dünnschichtmodule.
Das ist abhängig vom Wirkungsgrad und wie viel Leistung du mit Solarstrom erreichen bzw. abdecken willst. Wenn du einen Verbrauch von 2500 kWh hast und ein Photovoltaik Modul 250 kWh hat, kannst du mit 10 Module rechnen. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto weniger Module benötigst du.
Es gibt einige Länder, die PV-Module produzieren. Die Marktführer sind in China sowie Taiwan und auch der Niederlanden zu finden.
Photovoltaik hat sich als nachhaltige Lösung zur Energieversorgung etabliert, insbesondere angesichts der stetig steigenden Strompreise. Um Solarstrom zu gewinnen, braucht es die Photovoltaik Module, die auf Dächern, an Fassaden oder auch am Camper angebracht werden. Trotz der unterschiedlichen Anwendungen haben alle Photovoltaikmodule eines gemeinsam: Sie bestehen aus einzelnen Solarzellen, die das einfallende Licht erfassen und in elektrische Energie in Form von Gleichstrom umwandeln. Ohne Solarzellen wäre die Erzeugung von Solarstrom nicht möglich. Daher sind diese Schlüsselkomponenten ein ständiges Forschungsobjekt, um ihre Leistung durch Materialanpassungen oder Änderungen im Aufbau zu optimieren. Im vergangenen Jahr gelang es Forscherteams, bedeutende Fortschritte zu erzielen, die einen neuen Meilenstein in der Entwicklung von Photovoltaikmodulen darstellen könnten.
Was ist der Wirkungsgrad bei Phhotovoltaik-Modulen?
Wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenstrahlen tatsächlich durch die Solarzellen in Strom umgewandelt werden, gibt der Wirkungsgrad an. Einflussnehmende Faktoren auf den Wirkungsgrad sind die Fläche, Einstrahlungsleistungs des Sonnenlichts und auch der Typ der Solarzelle. Da die Strahlungsleistung nicht beeinflusst, nur optimal genutzt werden kann, wird versucht, den Wirkungsgrad so hoch wie möglich zu gestalten. Je höher der Wirkungsgrad eines Photovoltaik Moduls ist, desto mehr Sonnenlicht kann letztendlich für Strom genutzt werden.
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Photovoltaik Module 2024
Im Jahr 2024 stehen Photovoltaik Module weiter im Fokus innovativer Entwicklungen und regulatorischer Veränderungen in Deutschland. Das Fraunhofer ISE arbeitet intensiv an der Weiterentwicklung von Mikro-Solarzellen, die durch ihre kompakte Bauweise und hohen Wirkungsgrade das Potenzial haben, die Solarenergieerzeugung zu revolutionieren. Gleichzeitig wird die Diskussion über eine bundesweite Solarpflicht intensiver, um den Ausbau erneuerbarer Energien voranzutreiben. Zudem treten die neuen Regelungen zur Installation von Photovoltaik Modulen mit einer maximalen Größe von drei Quadratmetern in Kraft, die sowohl Installateuren als auch Hauseigentümern mehr Flexibilität bieten und den Markt weiter ankurbeln sollen.
Neue Regelung für Photovoltaik Module | Drei-Quadratmeter-Regel
Mit der offiziellen Veröffentlichung der technischen Baubestimmung durch das Deutsche Institut für Bautechnik am 28. August 2023 dürfen Photovoltaik Module auf Dächern nun bis zu einer Größe von 3 m² installiert werden. Diese Regelung, die bereits im Oktober 2023 akzeptiert wurde, ermöglicht eine größere Produktvielfalt und sichert Installateure bei Montage und Installation ab.
Zuvor waren Solarmodule, die größer als 2 m² waren, bei einer Dachneigung von bis zu 75 Grad nicht zugelassen, es sei denn, es wurde eine aufwendige Sondergenehmigung beantragt. Enige Bundesländer, darunter Bayern und Niedersachsen, haben bereits Bestimmungen nach ihrem Landesrecht umgesetzt. Andere wollen die Regelung bis Ende 2024 oder in der ersten Hälfte 2025 flächendeckend anwenden. Dennoch weiter wichtig bleibt der Wirkungsgrad der Photovoltaik Module, der unabhängig von der Fläche ist. So kann ein kleineres Modul mit höherem Wirkungsgrad unter Umständen mehr Solarstrom produzieren als ein größeres Modul mit niedrigerem Wirkungsgrad.
Fraunhofer ISE Mikro Solarzellen für Photovoltaik Module
Bis Ende des Jahres will das Fraunhofer ISE einen Prototyp der neuesten Photovoltaik-Modul Technik fertiggestellt. Die innovative Technologie hat das Ziel, den Energiegewinn zu erhöhen. Diese winzigen Solarzellen werden Konzentratorphotovolatik oder Konzentrator-Photovoltaik-Zellen (CPV) genannt. Dabei wird das Sonnenlicht nicht einzeln, sondern gebündelt auf die hocheffiziente Solarzelle geleitet. Die Bündelung der Sonnenstrahlen erfolgt über spezielle Linsen oder Spiegel, wodurch der Ertrag verstärkt und der Wirkungsgrad erhöht wird. Diese neueste Entwicklung erreicht beeindruckende Umwandlungswirkungsgrade von bis zu 36% im Labortest.
„Im Vergleich zum Stand der Technik reduziert unsere Mikro-CPV-Technologie bei vergleichbarer Leistung die Modulfläche um 30 Prozent und das Halbleitermaterial um das 1300-Fache“
Die kleineren Solarzellen bieten im Test mindestens die gleiche oder sogar bessere Leistung, verbrauchen aber weniger Material, was sie ressourcenschonend macht. Dies ist besonders vorteilhaft im Herstellungsprozess, da für CPV-Solarzellen auch weniger Halbleitermaterial benötigt wird. Die Technologie der Mikro-Solarzellen wird wohl die nahe Zukunft der Photovoltaik-Module maßgeblich mitbestimmen.
Jetzt bundesweite Photovoltaik Pflicht?
Die Solarpflicht ist eine gesetzlich verpflichtende Vorgabe, die die Integration von Photovoltaik Modulen bei Dachsanierungen und Neubauten vorsieht, um die Nutzung erneuerbarer Energien zu fördern. Im Jahr 2024 haben bereits zehn von 16 Bundesländern Vorschriften erlassen, die einer Solarpflicht nahekommen, wobei diese meist nur für Neubauten und Gewerbegebäude gelten.
Einige Bundesländer wie Hessen, Sachsen und das Saarland planen zwar eine Art Solarpflicht, jedoch sind konkrete Regelungen noch in der Abstimmung. Derzeit befindet sich eine bundesweite Solarpflicht zwar immer mal wieder im Gespräch, konkrete Vorhaben zur Umsetzung gibt es Stand jetzt nicht.
Eine bundesweite Solarpflicht könnte jedoch entscheidende Vorteile bieten: Einheitliche Regelungen würden den Ausbau mit Photovoltaik Modulen vereinfachen und beschleunigen. Dies könnte das Potenzial der Solarenergie weiter ausschöpfen und die Energiewende vorantreiben, um die Klimaziele zu erreichen.
Angesichts der drängenden Notwendigkeit, die Nutzung erneuerbarer Energien zu steigern, kommt man um das Thema Solarenergie nicht herum. Um die Klimaziele zu erreichen, müssen wir beim Zubau von Photovoltaik Modulen das Tempo erhöhen und die gesetzlichen Rahmenbedingungen entsprechend anpassen. Wir werden für dich beobachten, was in den kommenden Monaten noch in der Photovoltaik Technologie passiert.
Funktion und Aufbau Photovoltaik-Module
Die Photovoltaik Module bestehen aus vielen Solarzellen, die für die Umwandlung von Licht in Strom verantwortlich sind. Eine Solarzelle besteht aus Metallkontakten an der Ober- und Unterseite, die mit einem Kabel verbunden sind. Dazwischen befinden sich einzelne Schichten aus unterschiedlichen Material.
- n-dotierte Siliziumschicht: Durch geringe Zugabe von Fremdatomen (Phosphor) sind die Atome hier gesättigt, freie Elektronen befinden sich in der Schicht und sorgen für eine negative Ladung.
- p-dotierte Siliziumschicht: Diese ist durch die Zugabe von ungesättigten Fremdatomen (Bor) positiv geladen, die sogenannte “Löcher” in der Struktur zurücklassen.
- p-n-Übergang: Die freien Elektronen der n-Dotierung wandern zu den “Löchern” der p-Dotierung und es entstehen gesättigte Atome. Diese Elektronenbewegung lässt ein internes elektrisches Feld sowie die Grenzschicht entstehen.
Sonnenlicht als Energie löst Elektronen aus den “Löchern” der (Bor-)Atome. Diese wandern zur ungesättigten n-Schicht, wodurch über die Bewegung der Elektronen zwischen den miteinander verbundenen Metallkontakten ein elektrischer Stromkreis entsteht. Solange Sonnenstrahlung auf die Solarzellen trifft, wird Solarstrom als Gleichstrom produziert. Bricht die Sonnenstrahlung ab, kommt auch die Ladungswanderung zum Stillstand und es wird kein Strom mehr gewonnen.
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Diese PV-Module gibt es 2024
Solarzellen bestehen (meist) zum großen Teil aus Silizium. Industrielles Silizium ist ein Quarzsand bzw. Quarzkies und zeichnet sich mit einer eher einfachen Herstellung aus. Andere Typen von Photovoltaikmodulen bestehen aus anderen oder weiteren Materialien. Zudem unterscheiden sie sich in ihrer Haltbarkeit, dem Wirkungsgrad und auch der Herstellung. Diese Faktoren bestimmen maßgeblich den Preis der PV-Module. Die wichtigsten Infos zu den Solarmodulen fassen wir dir jetzt zusammen.
Leistungsstarke monokristalline Siliziumzellen
Monokristalline Siliziumzellen bestehen aus Silizium, haben eine kristalline Form und sind aufwändig in der Herstellung. Deshalb ist dieser Typ unter den PV-Modulen am teuersten, besitzt mit ca. 17-23% allerdings auch den höchsten Wirkungsgrad und eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren. Damit eignen sich monokristalline Siliziumzellen auch für kleinere Flächen und bringen dennoch gute Stromerträge.
Polykristalline Photovoltaik Module und ihr Wirkungsgrad
Mit einem Wirkungsgrad zwischen 15-20% liegen die polykristallinen Solarmodule hinter dem monokristallinen Typ. Der Herstellungsprozess ist im Aufwand ebenfalls geringer, da die polykristalline Variante aus verschieden großen Siliziumkristallen besteht. Dementsprechend sind sie günstiger, ohne in ihrer Lebensdauer einzubüßen. Allerdings ist bei einem gleichen Ertrag zu den kristallinen Verwandten eine größere Fläche notwendig.
Dünnschicht Solarmodule mit amorphen Silizium
Glasartig und nicht kristallin sind amorphe Solarzellen, bei denen eine dünne Siliziumschicht auf ein Trägermaterial aufgedampft wird. Dieses Verfahren ist vergleichsweise günstig, was sich auch im niedrigeren Preis widerspiegelt. Allerdings besitzen Dünnschicht Photovoltaik Module mit 10% einen geringeren Wirkungsgrad und der Flächenbedarf steigt für hohe Stromerträge deutlich an. In der Lebensdauer wird geschätzt, dass amorphe Siliziumzellen 20 bis 25 Jahre problemlos bestreiten.
Nicht kristalliner Halbleiter als PV-Modul
Diese amorphen Dünnschicht Solarzellen kommen ohne Silizium aus und sind damit noch günstiger in der Herstellung. Ihr Wirkungsgrad von bis zu 14% erfordert zwar auch eine große Fläche, allerdings weisen sie eine flexible Struktur ohne Rahmen auf, sodass die Montage auch ohne formstabilen Unterbau erfolgen kann. In der Haltbarkeit bestehen die Solarzellen nicht kristalliner Halbleiter auch für bis zu 25 Jahre.
Eher neu am Markt: Organischer Kunststoff (Dünnschicht)
Die Dünnschicht Solarzellen aus organischem Kunststoff bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Trotz der günstigen Herstellungskosten ist diese Variante derzeit noch nicht besonders rentabel. Mit einem Wirkungsgrad von maximal 10% ist der Flächenbedarf und die Anzahl Module für gute Stromerträge besonders hoch. Zudem lässt sich über die Haltbarkeit aufgrund fehlender Langzeiterfahrung nur spekulieren.
Tandem Solarzellen mit innovativen Aufbau
Den bisher höchsten Wirkungsgrad erzielen Tandem-Solarzellen in der Forschung. Diese innovativen PV-Zellen, auch Stapelzelle oder Mehrfachzelle genannt, kombinieren mehrere Materialien miteinander, sodass jede Schicht ein anderes Lichtspektrum abdecken kann. Die Folge: Es kann ein breiteres Lichtspektrum mit einer Solarzelle abgedeckt werden, statt nur bestimmte Lichtwellen nutzen zu können. Damit erhöht sich der Ertrag, da mehr Strom auf gleicher Fläche erzeugt werden kann.
Außerdem nimmt die Forschung an, dass der maximale Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen, also die absolute Spitzenleistung, bei 29% liegt. Grund dafür ist die bereits sehr perfektionierte Technologie von monokristallinen Solarzellen, sodass Stand heute für noch höhere Erträge wenig Luft nach oben sein wird. Ganz im Gegensatz zu den Tandem-Solarzellen, denn hier ist die Forschung noch recht jung und konnte bereits im Juli 2023 die bisher bekannte Grenze des Wirkungsgrades überschreiten. Der aktuelle Rekord liegt beim Hersteller Longi Green Energy Technology mit 33,9% (November 2023). Das Frauenhofer ISE hat dazu bereits Leitlinien veröffentlicht, wie ein Wirkungsgrad von 39,5% erreicht werden könnte.
Wann können wir Tandem Solarzellen kaufen?
Derzeit wird erwartet, dass es noch etwa ein bis zwei Jahre dauern wird, bis Tandem-Solarzellen auf den Markt kommen. Dies liegt zum einen daran, dass die Testbedingungen größtenteils in kontrollierten Laborumgebungen durchgeführt wurden, die nicht die variierenden Bedingungen der Praxis widerspiegeln. Zum anderen müssen die neuen (Super)Solarzellen ihre Skalierbarkeit unter Beweis stellen. Konkret bedeutet das, dass die Solarzellen auf standardmäßig dimensionierten Flächen zur Stromerzeugung eingesetzt werden müssen, um eine relevante Marktstellung zu erreichen.
Maria
Autorin bei Dein Solarspeicher Blog.
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