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Grundlagen
Photovoltaik (PV) ist die direkte Umwandlung von Licht in einer Solarzelle in elektrische Energie. Dies geschieht aufgrund des physikalischen Photoeffekts völlig bewegungslos, geräuschlos und emissionsfrei.
Unerschöpfliche Energiequelle
PV-Module bestehen aus hochreinem Quarzsand –
dem zweithäufigsten Element der Erde. Der Rohstoff für Solarmodule ist daher praktisch unbegrenzt – die Lebensdauer auch.
Die Sonne schickt in einer Minute so viel Lichtenergie zu uns, wie wir in einem Jahr nut zen können. Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) können überall in der Schweiz gebaut werden. Die Einstrahlung beträgt zwischen 1000 und 1500 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter und Jahr. In der Sahara ist die Strahlung «nur» 2,2-mal höher als in Bern.
Auf den schweizerischen Stromverbrauch bezogen, können mit den aktuell verfügbaren PV-Technologien auf einer Fläche von ca. 6 m2 pro Einwohner, einem Bruchteil der heute bestehenden Dachflächen, rund 10% der benötigten elektrischen Energie erzeugt werden.
Risikolose Investition
Der Absatz von Solarmodulen in der Schweiz steigt rasant an: Gründe dafür sind die fortschreitende Technik sowie die kostendeckende Einspeise-vergütung (KEV), welche seit 2009 Solaranlagenbetreibern einen höheren Einspeisetarif ermöglicht.
Solaranlagen gelten als risikolose Investition: Der Ertrag lässt sich vor der Installation genau berechnen. Die Sonneneinstrahlung bleibt auf ein ganzes Jahr gerechnet immer gleich. Solarsysteme sind zuverlässig und liefern ab der Morgendämmerung bis in die späten Abendstunden Strom – auch bei bedecktem Himmel.
Die meisten Solarmodul-Hersteller geben eine 25-jährige Leistungs-garantie, die verspricht, dass die Solarmodule dann noch 80% der ursprünglichen Leistung abgeben!
Einstrahlungskarte der Schweiz: Die Sonneneinstrahlung in der Schweiz eignet sich für Solaranlagen hervorragend. (Klick für Grossansicht).
Kristalline Module, Dünnschicht, Silizium oder doch ein anderes Material?
Die Mehrzahl der Solarmodule besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Dennoch gibt es auch bei den Silizium-Solarzellen grosse Unterschiede, die sich aus den verschiedenen Herstellungsmethoden ergeben.
Man unterscheidet zwei grosse Kategorien von Siliziumsolarzellen bzw. -modulen: Auf der einen Seite gibt es die kristallinen Module. Hier differenziert man weiter zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen. Auf der anderen Seite gibt es sogenannte Dünnschichtmodule.
Monokristalline Solarzellen
Ein Unterscheidungsmerkmal bei Silizium-Solarzellen ist die Kristallstruktur. Bei sogenannten monokristallinen Solarzellen besteht das Silizium aus einem einzigen Kristall mit homogenem Kristallgitter. Durch die einheitliche Form des Kristalls lässt sich aus dem Sonnenlicht mehr Energie gewinnen als bei Zellen mit uneinheitlicher Kristallstruktur. Allerdings ist das eingesetzte monokristalline Silizium relativ teuer und benötigt mehr Energie in der Herstellung.
Bei monokristallinen Solarzellen besteht das Silizium aus einem einzigen Kristall mit homogenem Kristallgitter.
Polykristalline Solarzellen
Bei den polykristallinen Solarzellen ist dies anders. Hier besteht das Silizium aus vielen kleinen Einzelkristallen. Die polykristalline Variante ist günstiger in der Herstellung und braucht weniger Energieeinsatz. Daher gelten sie als Solarzellen mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis, auch wenn der Wirkungsgrad etwas schwächer ist als bei der monokristallinen Variante.
Bei polykristallinen Solarzellen besteht das Silizium aus vielen kleinen Einzelkristallen.
Dünnschichtmodule
Völlig anders verläuft die Herstellung bei Dünnschichtmodulen. Bei der amorphen Silizium-Technologie (a-Si) wird amorphes Silizium auf einer Glasplatte abgeschieden. Dazu wird in einem Hochvakuumreaktor ein Plasma erzeugt, aus dem sich Silizium auf der Glasoberfläche absetzen kann. Dieser Vorgang erfolgt in einem Niedertemperaturprozess mit Temperaturen unter 200 Grad Celsius.
Dünnschichtmodule werden mittels der amorphen Silizium-Technologie (a-Si) hergestellt.
Dieses Verfahren ist besonders energieeffizient. Ein weiterer Vorteil: Die aktive Siliziumschicht ist weniger als ein Mikrometer dünn. Der Schichtauftrag auf einer Glasscheibe erfordert daher pro Quadratmeter nur etwa ein Gramm des Halbleitermaterials. Mit einem feinen Laser wird dann das Silizium so strukturiert, dass eine Vielzahl kleiner Solarzellen entsteht.
Transparente Leiterbahnen sorgen für den Elektronentransport bis in die Kabelanschlüsse am Modul. Nachdem die Kontakte aufgebracht sind und die einzelnen Zellen per Laser verschaltet werden, entsteht ein funktionsfähiges Rohmodul. Da die einzelnen Zellen auf dem Trägerglas direkt miteinander verschaltet sind, müssen die Zellen nicht separat verbunden werden.
Wirkungsgrad allein entscheidet nicht
Der grosse Unterschied zwischen den unterschiedlichen Zellenarten liegt in ihrem Wirkungsgrad und in ihren Herstellungskosten pro Watt. Laut Angaben des Europäischen Photovoltaik-Industrieverbands EPIA und einer Greenpeace-Studie aus dem Jahr 2007 wandeln monokristalline Zellen am meisten Sonnenenergie in Strom um (13 bis 15 % Wirkungsgrad), sind aber am zeit- und materialaufwendigsten in der Herstellung. Polykristalline Zellen sind günstiger herzustellen, haben dafür aber einen etwas geringeren Wirkungsgrad von 12 bis 14 %.
Amorphe Dünnschichtmodule haben mit 6 bis 7 % einen relativ geringen Wirkungsgrad. Aus den unterschiedlichen Wirkungsgraden lässt sich aber nicht schliessen, dass monokristalline Zellen automatisch immer am besten geeignet sind, da jede dieser Technologien ihre besonderen Vorteile hat.
So wird für die Herstellung von Dünnschichtmodulen weit weniger des kostbaren Rohstoffs Silizium gebraucht, was sie preisgünstig macht. Der geringere Materialeinsatz schont sowohl Ressourcen als auch Umwelt.
