Solarmodul

Ein Solarmodul oder Photovoltaikmodul wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Als wichtigste Bestandteile enthält es mehrere Solarzellen.

Solarmodule auf einem Niedrigenergie-Mehrfamilienhaus

Solarmodule werden einzeln oder zu Gruppen verschaltet in Photovoltaikanlagen, kleinen stromnetzunabhängigen Verbrauchern oder zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen verwendet. Die Gesamtheit aller Module für eine Photovoltaikanlage nennt man Solargenerator.^[1]

Ein Solarmodul wird durch seine elektrischen Anschlusswerte (z. B. Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom) charakterisiert. Diese hängen von den Eigenschaften der einzelnen Solarzellen und der Verschaltung der Solarzellen innerhalb des Moduls ab.

Um den Anforderungen einer Anlage für die Erzeugung von Solarstrom gerecht zu werden, fasst man Solarzellen mittels mehrerer verschiedener Materialien zu einem Solarmodul zusammen. Dieser Verbund erfüllt folgende Zwecke:

• transparente, strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung
• robuste elektrische Anschlüsse
• Schutz der spröden Solarzelle vor mechanischen Einflüssen
• Schutz der Solarzellen und elektrischen Verbindungen vor Feuchtigkeit
• Ausreichende Kühlung der Solarzellen
• Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile
• Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit

Im Folgenden wird anhand des weltweit am häufigsten eingesetzten Modultyps der Aufbau erklärt.

Solarmodul an einer Autobahnbrücke

Aufbau eines typischen Solarmoduls

• Eine Glasscheibe (meist so genanntes Einscheiben-Sicherheitsglas, kurz ESG) auf der zur Sonne gewandten Seite.
• Eine transparente Kunststoffschicht (Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi), in der die Solarzellen eingebettet sind,
• mono- oder polykristalline Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind,
• Rückseitenkaschierung mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie z. B. aus Polyvinylfluorid (Tedlar) und Polyester,
• Anschlussdose mit Freilaufdiode bzw. Bypassdiode (siehe unten) und Anschlussterminal
• ein Aluminiumprofil-Rahmen zum Schutz der Glasscheibe bei Transport, Handhabung und Montage, für die Befestigung und für die Versteifung des Verbundes.

Herstellung eines Solarmoduls

Die Fertigung eines Solarmoduls erfolgt weitgehend mit der optisch aktiven Seite nach unten. Als erstes wird ein entsprechendes Glas gereinigt und bereitgelegt. Auf dieses kommt dann eine zugeschnittene Bahn EVA-Folie. Die Solarzellen werden mittels Lötbändchen zu einzelnen Strängen (so genannte Strings) verbunden und auf der Scheibe mit der EVA-Folie positioniert. Nun werden die Querverbinder, die die einzelnen Stränge miteinander verbinden und zum Ort der Anschlussdose führen, positioniert und verlötet. Anschließend wird alles nacheinander mit einer zugeschnittenen EVA-Folie und einer Tedlarfolie bedeckt. Als nächster Produktionsschritt erfolgt das Laminieren des Moduls in einem Vakuumsack bei ca. 140 °C oder im Autoklaven mit Überdruck (um 10 bar) und ebenfalls 140 °C. Beim Laminieren bildet sich aus der bis dahin milchigen EVA-Folie eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht, in der die Zellen nun eingebettet sind und die fest mit der Glasscheibe und der Rückseitenfolie verbunden ist. Nach dem Laminieren werden die Kanten gesäumt, die Anschlussdose wird gesetzt und mit den Freilaufdioden bestückt. Nun wird das Modul noch gerahmt, vermessen und nach seinen elektrischen Werten klassifiziert und verpackt.

Technische Merkmale

Die Daten eines Solarmoduls werden genauso wie die Daten einer Solarzelle für standardisierte Testbedingungen angegeben (siehe dort).

Kennlinie (Strom/Spannung) einer Solarzelle beleuchtet und unbeleuchtet

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind:

• SC: Short Circuit – Kurzschluss
• OC: Open Circuit – Leerlauf
• MPP: Maximum Power Point – Betriebspunkt maximaler Leistung

Die Kennwerte eines Solarmoduls sind:

• Leerlaufspannung U_OC
• Kurzschlussstrom I_SC
• Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt U_MPP
• Strom im bestmöglichen Betriebspunkt I_MPP
• Leistung im bestmöglichen Betriebspunkt P_MPP
• Füllfaktor FF
• Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
• Modulwirkungsgrad η

Da eindringende Feuchtigkeit die Lebensdauer eines Moduls durch Korrosion stark verkürzen und elektrisch leitende Verbindungen der stromdurchflossenen Bauteile des Solarmoduls verursachen kann, kommt der dauerhaften Kapselung eine besondere Bedeutung zu.

Die Freilauf- oder Bypass-Diode

Werden mehrere Module in Reihe betrieben, so muss antiparallel zu jedem Modul eine Diode geschaltet werden. Der maximale Strom und die Sperrspannung der Diode müssen mindestens den Strom- und Spannungswerten eines Moduls gleichen. Gleichrichterdioden mit 3 Ampere/100 Volt sind üblich. Die Freilaufdiode ist so an den Anschlussklemmen jedes Moduls geschaltet, dass sie im normalen Betriebszustand (Modul liefert Strom) in Sperrrichtung gepolt ist (Kathode bzw. Ringmarkierung am positiven Pol des Moduls). Wenn das Modul durch Verschattung oder durch einen Defekt keinen Strom liefert, würden die nunmehr in Sperrrichung betriebenen Photodioden einen Strang, der aus mehreren in Serie geschalteten Solarmodulen besteht, außer Betrieb nehmen. Überschreitet die Spannung der in Serie geschalteten funktionstüchtigen und bestrahlten Solarmodule die Sperrspannung des nicht bestrahlten Solarmoduls, kann dies sogar zur Zerstörung desselben führen. Da die anderen Zellen weiterhin Strom liefern, bildet sich an dieser Stelle eine Überhitzung, die bis hin zu einem Brand des Moduls führen kann. Dieser Effekt wird als Hot Spot bezeichnet. Durch die Freilaufdiode wird dies verhindert, der Strom kann durch die Freilaufdiode fließen. Ein Strang kann daher weiterhin – wenngleich auch geringere – elektrische Leistung liefern.

Bei aktuellen PV-Modulen (September 2011) sind diese Freilaufdioden meistens bereits in die Junction-Boxen (Anschlussbox des Moduls auf der Rückseite) integriert. Bei einem Modul mit 6x10 Solarzellen werden beispielsweise je 20 Solarzellen mit einer Diode bei Verschattung kurzgeschlossen, so dass bei Teilverschattung nicht gleich das ganze Modul deaktiviert/kurzgeschlossen wird.

Junction-Box mit Bypass-Dioden

Ein Problem besteht darin, dass eine mangelhaft kontaktierte Freilaufdiode im Normalbetrieb nicht auffällt. So war dies beispielsweise die Ursache für den Brand der Photovoltaikanlage Bürstadt.^[2][3]

Leistung eines Solarmodules

Die jeweils angegebene (Spitzen-) Nennleistung eines Solarmodules (in Watt Peak = Wp) wird nur bei Laborbedingungen (STC = englisch: Standard Test Conditions) mit einer Lichteinstrahlung von 1000 W/m², 25 °C Zelltemperatur und 90 ° Einstrahlungswinkel und einem Lichtspektrum von AM 1,5 erreicht. Diese Normbedingungen gibt es in der Praxis nur selten. Entweder ist es dunkler, die Sonne fällt in einem anderen Winkel auf die Module oder die Effizienz der Zellen sinkt durch eine erhöhte Temperatur im Sommer. Jedes Modul reagiert auf die unterschiedlichen Lichtstärken und Lichtfarben anders, so dass die effektive, aktuelle Leistung und der jährliche Ertrag zweier gleichstarker Modultypen stark unterschiedlich sein können. Somit kommt es bei den tatsächlichen Tages- oder Jahreserträgen auf die Art und Qualität der Module an und hochwertige Module können daher mehr Ertrag liefern.

Als Richtwerte kann man folgendes ansetzen: Täglich liefert ein unverschattetes Durchschnitts-Modul zwischen 0,5 (trüber, kurzer Wintertag) und 7 (klarer, langer Sommertag) Volllaststunden. Das heißt, ein 100-Watt-Modul bringt zwischen 50 Wh und 700 Wh Tagesertrag. Für Standorte in Süddeutschland, der Schweiz und in Österreich kann man als Faustregel mit einem Jahresertrag von 1 kWh für jedes Watt Nennleistung (Wp) rechnen. Von modernen Anlagen mit qualitativ hochwertigen und gut aufeinander abgestimmten Komponenten wird dieser Wert durchaus übertroffen. Der detaillierte Standort und die auf ihn abgestimmte Planung spielen dabei eine wichtige Rolle. Im Süden Europas sind diese Werte generell besser und im Norden schlechter. Während an klaren, sonnigen Sommertagen zwischen Nord und Süd nur wenig Unterschied besteht, sind die Gegensätze im Winter um so gravierender. Dies liegt daran, dass im Norden die Sommertage viel länger und die Wintertage erheblich kürzer sind und die Sonne dann dort kaum über den Horizont kommt. In einer Solarsimulation kann man aus Wetterdaten, insbesondere den Strahlungsdaten, und der geografischen Lage für den jeweiligen Standort typische Solar-Erträge ermitteln.^[4]

Bei der Serienschaltung unterschiedlich orientierter Module beispielsweise auf gekrümmten Oberflächen oder bei unterschiedlicher Beschattung werden sinnvollerweise Maximum Power Point Tracker (MPPTs) in die Module selbst verbaut.

Weitere Arten von Solarmodulen

Semi-flexibles Solarmodul auf einem Autodach

Flexibles Solarmodul auf einem Modellauto

• Folien Rückseiten Module
• semi-flexible Module die aus monokristallinen Zellen zwischen transparenten Kunststoffplatten bestehen.
• laminierte Glas-Glas-Module
• Glas-Glas-Module in Gießharztechnik
• Glas-Glas-Module in Verbundsicherheitsfolien-Technologie (Verbund-Sicherheitsglas) mit PVB-Folie
  Die Verwendung von PVB ist nachteilig, da es geringere UV-Transmissionswerte hat. Daher ist wie oben erwähnt EVA sehr sinnvoll.
• Dünnschicht-Module (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si, µc-Si) hinter Glas oder als flexible Beschichtung, z. B. auf Kupferband
• Konzentrator-Module (auch CPV: Concentrated PV), siehe auch Konzentratorzellen
  Das Sonnenlicht wird mit Hilfe einer Optik auf kleinere Solarzellen konzentriert. Damit spart man kostbares Halbleitermaterial, indem man es mittels vergleichsweise billiger Linsen gebündelt beleuchtet. Konzentratorsysteme werden meist in Verbindung mit III-V-Verbindungshalbleitern verwendet. Da für die Optik ein bestimmter Sonneneinfall (meist senkrecht) notwendig ist, erfordern Konzentratorsysteme immer eine mechanische Nachführung nach dem Sonnenstand.
• Fluoreszenz-Kollektor
  Diese besondere Form von Solarmodulen wandelt die einfallende Strahlung in einer Kunststoffplatte in eine besonders an die Solarzellen angepasste Wellenlänge um. Der Kunststoff ist dazu mit fluoreszierenden Farbstoffen dotiert. Die Sonnenstrahlung wird vom Farbstoff absorbiert und regt diesen zum Leuchten an. Die dabei emittierte, langwelligere Strahlung verlässt die Platte hauptsächlich an einer Stirnseite, an allen anderen Seiten wird sie durch Totalreflexion oder Spiegelung weitestgehend im Material gehalten. Die freie Stirnseite wird mit Solarzellen bestückt, die optimal für die durch den Farbstoff emittierte Wellenlänge geeignet sind. Durch das Stapeln mehrerer verschiedener Kunststoffplatten und Solarzellen, die jeweils auf einen anderen Wellenlängenbereich optimiert werden, kann der Wirkungsgrad erhöht werden, da hierdurch ein breiterer Spektralbereich des Sonnenlichtes ausgenutzt werden kann, als dies mit einer Solarzelle möglich ist.

Recycling

Ein Photovoltaikmodul kann zu 96 % recycelt werden. Die weltweit erste Versuchsanlage zum Recycling von kristallinen Siliziumsolarzellen ging 2004 in Freiberg in Betrieb.^[5] Dort werden bei Temperaturen um 600 °C die im Modul enthaltenen Kunststoffe verbrannt und zurück bleiben Glas, Metall, Füllstoffe und die Solarzelle.

Das Glas und die Metallfraktion werden an entsprechende Recyclingbetriebe weitergegeben. Von der Solarzelle werden die Oberflächenschichten durch einen chemischen Reinigungsschritt (Ätzen) gelöst. Aus dem Silizium der Solarzelle können dann wieder neue Solarzellen hergestellt werden. Bemerkenswert ist, dass wesentlich weniger Energie aufgewendet werden muss, wenn man aus den alten Solarmodulen das Silizium recycelt, als wenn man es neu herstellt.^[6]

Für einen qualitativ gleichwertigen Wafer aus Recycling-Silizium braucht man nur 30 % der Energie im Vergleich zu einem neuen Wafer.^[7] Recycling ist also ökologisch sinnvoll, da die Energierücklaufzeit geringer wird, das heißt, ein recyceltes Modul spielt den Energieaufwand, den man zur Herstellung gebraucht hat schneller wieder ein als ein Solarmodul aus nicht recycliertem Silizium.

Problematisch ist das Recycling, wenn in den Solarzellen Stoffe wie Blei, Cadmium-Tellurid oder Silber verwendet wurden.^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ Solargenerator Eintrag im Stomlexikon auf steckdose.de
2. ↑ Brandursache in Bürstadt waren mangelhafte Solar-Laminate von BP Solar Artikel auf photovoltaik-guide.de vom 24. August 2009
3. ↑ Feuer auf dem Dach Artikel in der Financial Times Deutschland vom 3. Juli 2009
4. ↑ Leistung, beziehungsweise Ertrag eines Solarmodules Abschnitt des Artikels PV-Module/ Solarmodule zur Stromerzeugung auf oeko-energie.de, abgerufen am 10. September 2010
5. ↑ ^{a b} Recycling von Modulen, Solar-Konzerne kämpfen um ihr grünes Image Artikel auf Spiegel Online vom 25. April 2010
6. ↑ Nicole Vormann; Murphy&Spitz: Studie: Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie. Januar 2010, abgerufen am 4. März 2010 (Studie). 
7. ↑ Anja Müller, Karsten Wambach, Eric Aslema: „Life Cycle Analysis of Solar Module Recycling Process. “Life Cycle Analyses Tools Symposium, MRS Meeting, 2005