Monokristalline Solarzellen – leistungsstarke Module

Inhalt

• Monokristalline Solarzellen aus hochreinem Silizium
• Monokristalline Module erzielen einen hohen Wirkungsgrad
• Monokristalline Module benötigen länger bis zur energetischen Amortisation
• Vor- und Nachteile monokristalliner Module im Überblick
• FAQ

Monokristalline Solarzellen für Photovoltaik-Anlagen werden in einem aufwendigen Verfahren aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Dabei werden einkristalline Stäbe aus einer Siliziumschmelze gezogen. Anschließend werden diese Stäbe in dünne Scheiben zersägt, welche "Wafer" genannt werden.

Das Czochralski-Verfahren ist hierbei ein Vorgehen zur Herstellung einkristalliner Stoffe und ein Produktionsschritt in der Fertigung von monokristallinen Solarzellen. Die Ausgangssubstanz, in diesem Fall Silizium, befindet sich in geschmolzener Form in einem Tiegel. Dort wird ein rotierender Metallstab mit einem sogenannten "Impfkristall" eingeführt. An diesem Kristallisationskeim "wächst" eine Kristallschicht. Durch Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeit und der Temperatur wird der Durchmesser des Endproduktes gestaltet.

Das Czochralski-Verfahren führt nicht zu derart hochwertigem monokristallinem Silizium wie es das Zonenschmelzverfahren bereitstellt, es ist aber deutlich preisgünstiger und das bevorzugte Verfahren für monokristalline Solarzellen.

String Ribbon bezeichnet wiederum ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von Wafern, dem Ausgangsmaterial für Solarzellen. Bei diesem Verfahren werden Drähte durch geschmolzenes Silizium gezogen. Zwischen den Drähten bildet sich durch Oberflächenspannung ein Band aus Silizium, das zu Wafern weiterverarbeitet wird.

Im Unterschied zum Sägen von Wafern aus festen Siliziumblöcken kann mit der String Ribbon Technik bis zu 50 % Silizium eingespart werden. Die Produktion ist besonders nachhaltig und trägt zu einer schnelleren energetischen Amortisation von Solarmodulen bei.

Die einzelnen monokristallinen Solarzellen werden anschließend miteinander zu Solarmodulen verschaltet. Bei einer Serienschaltung der Solarzellen wird eine höhere Spannung erzielt, was für allem für kleinere Photovoltaikanlagen nützlich ist. Eine Parallel­schaltung der Solarzellen sorgt im Besonderen bei teilweise verschatteten Solarmodulen für einen höheren Durchschnittsertrag.

Monokristalline Solarzellen werden dazu meistens in eine "square-round"-Form gebracht: Dies bedeutet quadratisch mit abgerundeten Ecken. Solarmodule aus monokristallinen Solarzellen haben eine dunkel­blaue bis schwärzliche Färbung und wirken sehr glatt und eben. Sie haben eine Lebensdauer von rund 30 Jahren. Ein monokristallines Solarmodul wiegt etwa 17 kg und ist damit deutlich schwerer als beispielsweise ein Dünnschichtmodul.

Der Wirkungsgrad einer monokristallinen Solarzelle ist aus mehreren Gründen hoch. Zum einen handelt es sich hier um einzelne Kristalle. Das bedeutet, bei diesen monokristallinen Zellen kommt es zu keinem Energieverlust in den Grenzbereichen verschiedener Kristalle.

Monokristalline Solarzellen haben überdies im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen einen sehr hohen Siliziumanteil. Daher sind sie mit einem Wirkungsgrad von rund 20 Prozent – oder leicht darüber – die effektivsten Solarzellen bei direkter Sonneneinstrahlung. Anfang 2021 erreichten Module der Firma Jinko Solar neue Rekordwerte von 24,9 Prozent Wirkungsgrad. Für monokristalline Module besteht also durchaus noch viel Potenzial im Hinblick auf die Effizienz.

Diese Modulvariante ist deshalb auch sehr gut geeignet, wenn nur eine geringe Dachfläche für eine Photovoltaik-Anlage zur Verfügung steht – oder wenn eine sehr hohe Leistung erzielt werden muss. Monokristalline Solarmodule werden beispielsweise von IBC Solar, Suntech, Schott Solar und Aleo Solar hergestellt.

Allerdings sind monokristalline Module aufgrund der aufwendigen Herstellung auch vergleichsweise teuer. Monokristalline Solarzellen büßen bei diffusem Licht an Leistung ein. Bei einer Dachfläche, die nicht direkt nach Süden ausgerichtet ist, kann sich der Wirkungsgrad der Solarmodule daher reduzieren. Alternativ kann ein Nachführsystem die Ausrichtung der Module stellenweise ausgleichen. Eine neue Alternative sind bifaziale Solarmodule: sie können auf beiden Modulseiten Solarstrom aus der Sonneineinstrahlung gewinnen und liefern signifikante Mehrerträge.

Um sich ein umfassendes Bild zu machen, bevor man für seine Photovoltaik-Anlage monokristalline Module kauft, ist eine Auflistung wichtiger Daten relevant. Hier finden Sie einige typische Werte von monokristallinen Solarmodulen:

• Gewicht: ca. 17,5 kg/Modul bis 22,8 kg/Modul
• Modulmaße: im Durchschnitt ca. 1.700x1.038x40 mm
• Nennleistung: ca. 300 bis 400 W
• Effizienz: ca. 18 bis 20 %
• Degradation: ca. 0,5 %/Jahr
• Produktgarantie: 11 Jahre bis 30 Jahre

Die zeit- und energieaufwendige Herstellung sorgt dafür, dass monokristalline Solarzellen eine schlechtere Umweltbilanz aufweisen als andere Photovoltaik-Module. Es wurde zunächst mehr Energie in die Herstellung investiert, sodass es schlichtweg länger dauert, diesen Einsatz durch Energieeinsparung wieder wettzumachen. Das bedeutet: Die energetische Amortisation, also die Zeit, bis der Solarertrag den Energieaufwand der Herstellung übersteigt, ist bei monokristallinen Solarmodulen im Vergleich mit polykristallinen Solarmodulen deutlich länger.

Zurzeit wird rund ein Drittel aller Photovoltaik-Anlagen mit monokristallinen Solarzellen betrieben. Allerdings ist absehbar, dass dieser Anteil steigen wird. Denn die Module sind zwar aufwendig in der Herstellung und teurer in der Anschaffung, gleichen dies aber durch einen hohen Wirkungsgrad wieder aus.

Monokristalline Solarmodule sind sehr hochwertig: sowohl aufgrund der anspruchsvollen Herstellung als auch wegen der guten Leistung. Das schlägt sich auch im Kaufpreis nieder. Je nach Hersteller ist für ein Solarpanel mit monokristallinen Zellen von Preisen zwischen ca. 180 und 350 Euro auszugehen. Diese Zahlen liegen über denen von beispielsweise polykristallinen Zellen.

• Rechenbeispiel Kosten monokristalline Zellen: Für ein kWp Leistung braucht man etwa 4 monokristalline Module – ausgehend von 6 qm/kWp. Ein kWp kostet also etwa zwischen 720 und 1.400 Euro. Für 6 kWp, was eine typische PV-Anlagen-Größe für ein Einfamilienhaus ist, sind 24 Module notwendig. Es ist also hier von Kosten zwischen ca. 4.300 und 8.400 Euro auszugehen.

Diese Berechnung kann je nach Dachausrichtung, Modulfabrikat und weiteren Faktoren schwanken. Die genannten Kosten sind demnach nur als Richtwert zu verstehen.

Durch ihren hohen Wirkungsgrad und den einhergehenden geringeren Platzverbrauch sind monokristalline Solarmodule vor allem für kleinere Dächer geeignet. Wer also weniger Dachfläche zur Verfügung hat, sollte den geringeren Raum effizienter nutzen. Und dafür eignen sich monokristalline Module optimal. Eine solche Situation kann zum Beispiel eintreten, wenn neben der Photovoltaik auch noch Solarthermie genutzt werden soll – sodass auch die Kollektoren noch einen Teil der Dachfläche benötigen.

Monokristalline Solarzellen brauchen unter den verfügbaren Solarmodulen die geringste Fläche, um ein Kilowattpeak an Solarstrom zu erzeugen. Die folgende Beispielrechnung verdeutlicht, wie viele Quadratmeter etwa notwendig sind.

Beispielrechnung:

Um ein Kilowattpeak an Spitzenleistung zu erzielen, benötigt man etwa 6-9 qm Fläche auf dem Dach. Beträgt die belegbare Dachfläche beispielsweise 50 qm, so können mit monokristallinen PV-Modulen rund 8,3-5,6 kWp an Strom erzeugt werden.

Neben monokristallinen und polykristallinen Solarzellen sind auch besonders dünne cigs-Module erhältlich. Bei der Wahl der Module ist es ratsam, einen Photovoltaik-Fachbetrieb zu finden, der beratend zur Seite steht. In den nächsten Jahren kommen weitere Solarzellen wie die Perowskit-Solarzellen und die Tandemsolarzellen auf den Markt, die noch einmal einen großen Schub an Effizienz versprechen.