Die Spannung einzelner Solarzellen ist für praktische Anwendungen zu niedrig. Damit sie etwa auf Häuserdächern Strom produzieren können, müssen die Zellen in Reihe zu Modulen geschaltet werden.
Ein Arbeitsroboter bei der Herstellung eines Solarmoduls.
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Solarzellen werden größtenteils aus Silizium gefertigt und haben meist quadratische Form. Über die Jahre sind sie jedoch gewachsen. Kamen sie früher typischerweise auf eine Kantenlänge von 4 Zoll, messen sie aktuell standardmäßig 6 Zoll – wobei der Trend Richtung noch größer geht, denn manche Hersteller produzieren bereits 8 Zoll große Solarzellen.
Vorteil: Bei größeren Solarzellen sind weniger Verarbeitungsschritte für die Modulmontage erforderlich. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Mit zunehmender Größe steigt das Risiko von Brüchen während der weiteren Verarbeitung.
Reihenschaltung macht aus Zellen Module
Mit der Größe einer Solarzelle nimmt auch der Strom zu, während die Spannung konstant bei nur 0,6 bis 0,7 V bleibt. Da eine so niedrige Spannung für praktische Anwendungen nicht ausreicht, werden viele Zellen zu Solarmodulen in Reihe geschaltet – und das geht so: Die Frontkontakte einer Zelle werden jeweils mit den Rückseitenkontakten der nächsten Zelle durch aufgelötete Drähte verbunden.
Für eine ausreichend hohe Spannung zum Laden einer 12-V-Batterie sind etwa 32 bis 40 in Reihe geschaltete Zellen erforderlich. Für die Netzeinspeisung über Wechselrichter sind hingegen Solarmodule mit mindestens 60 in Reihe geschalteten Zellen üblich.
Glas und Kunststoff gegen Bruchgefahr
Solarzellen sind sehr empfindlich: Sie brechen leicht und können durch Feuchtigkeit korrodieren. Deshalb brauchen sie Schutz. Dafür werden sie zwischen einer Frontglasscheibe und einer Kunststofffolie auf der Rückseite in einen speziellen Kunststoff eingebettet. Einige Hersteller verwenden auch Glas für die Rückseite, um mechanische Stabilität zu gewährleisten. Zu beachten hierbei ist, dass das Glas besonders lichtdurchlässig sein muss.
Als Kunststoff zur Einbettung kommen meist zwei dünne Folien aus Ethylenvinylacetat zum Einsatz, die sich bei Temperaturen von rund 100 °C mit den Zellen und dem Glas verbinden – Stichwort: Laminieren. Das fertige Laminat schützt die Zellen vor Witterungseinflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit. Modulanschlussdosen helfen, Beschädigungen an den Zellen zu verhindern; Bypassdioden überbrücken beschädigte Zellen.
Kristalline Solarzellen versus Dünnschichtzellen
Kristalline Solarzellen werden aus massivem Material hergestellt und benötigen vergleichsweise viel Halbleitermaterial. Herstellungsverfahren mit Dünnschichtzellen wirken dem hohen Materialeinsatz entgegen. Während kristalline Solarzellen Dicken von zehntel Millimetern haben, bewegt sich die Dicke von Dünnschichtsolarzellen im Bereich von tausendstel Millimetern.
Als Träger für Dünnschichtsolarzellen dient meist Glas. Auf den Träger wird eine leitende Transparent-Conductive-Oxide-Schicht aufgebracht. Ein Laser oder Mikrofräser trennt diese Schicht in Streifen. Die einzelnen Streifen sind die Einzelzellen innerhalb des Solarmoduls. Die Zellen werden in Reihe geschaltet, wie kristalline Zellen auch, damit sich die elektrische Spannung erhöht. Durch die langen Streifen lässt sich ein Dünnschichtmodul optisch von kristallinen Solarmodulen unterscheiden.
Kristalline Zellen am Markt dominant
Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen ist derzeit noch geringer als der von kristallinen Modulen. Für die gleiche Leistung wird also eine größere Fläche benötigt. Dadurch steigt der Montageaufwand – und damit die Kosten. Zwar konnte der Wirkungsgrad einzelner Dünnschichttechnologien in den letzten Jahren gesteigert werden. Dennoch ist es der Dünnschichttechnologie nicht gelungen, die Dominanz der kristallinen Solarmodule zu brechen.
Tun könnte sich trotzdem etwas. Denn neben Dünnschichtmaterialien werden weitere Technologien erforscht, darunter Farbstoffzellen, Perowskitzellen oder organische Solarzellen. Ob eine dieser Art von Zellen eine kostengünstigere Alternative zu den aktuellen Technologien darstellen kann, steht jedoch in den Sternen. Eine genaue Vorhersage ist aktuell laut einhelliger Expertenmeinungen kaum möglich.