Monokristalline Solarzellen – leistungsstarke Module

2. Juli 2021
Monokristalline Solarzellen wurden ursprünglich für die Raumfahrttechnik und für Satelliten entwickelt. Später wurden monokristalline Solarmodule auch für erdgebundene Photovoltaik-Anlagen genutzt und sind für ihren hohen Wirkungsgrad bekannt. Monokristalline Module sind teurer als polykristalline Varianten, dafür weisen diese Solarzellen auch weitaus höhere Wirkungsgrade auf.
Dieser Artikel wurde von
Gina Doormann für www.Solaranlagen-Portal.com verfasst.
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PV-ModuleÜbersicht der ModulartenMonokristallin

Inhalt

Monokristalline Solarzellen aus hochreinem Silizium

Monokristalline Solarzellen: hochreines Silizium erhöht
den Wirkungsgrad deutlich, Bild: wagner-solar.com

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.

Verschiedene Herstellungsverfahren

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.

Monokristalline Module erzielen einen hohen Wirkungsgrad

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.

Monokristallines Solarmodul IBC MonoSol 325.| Bildquelle: © IBC SOLAR AG

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.

Kennwerte und Leistungsdaten von monokristallinen Modulen im Überblick

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

Monokristalline Module benötigen länger bis zur energetischen Amortisation

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.

Was kosten monokristalline Module?

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.

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Wo sollten monokristalline Solarpanels zum Einsatz kommen?

Die leistungsstarken monokristallinen PV-Module sind besonders gut geeignet, wenn der Platz auf dem Dach begrenzt ist.| Bildquelle: © AdobeStock _U. J. Alexander

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.

Wie viel Fläche brauchen monokristalline PV-Module?

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.

Vor- und Nachteile monokristalliner Module im Überblick

Vorteile

Nachteile

Hoher Wirkungsgrad von ca. 20-30 %

Einbußen bei diffusem Licht

Hoher Leistungsbereich (bis ca. 400 W)

Leistungsreduktion bei hohen Temperaturen

Lange Lebensdauer

Teurer als polykristalline Module und Dünnschichtmodule

Platzersparnis

Schwerer als Dünnschicht- und CIGS-Module

Wenig störanfällig

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.

FAQ

Wie viel kW hat ein monokristallines Solarmodul?

Ein monokristallines Solarmodul hat etwa 0,3 bis 0,4 kW Leistung.

Wie viele monokristalline Module für 1 kWp?

Für ein kWp sind etwa 4 bis 6 monokristalline Photovoltaikmodule notwendig.

Welche Solarzellen haben den höchsten Wirkungsgrad?

Monokristalline Solarzellen haben mit etwa 20 bis 30 Prozent den höchsten Wirkungsgrad unter den Solarzellen.

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Weiterlesen zum Thema "Polykristallin "

Erfahrungen & Fragen zum Thema Monokristalline Solarzellen

Solaranlage in Spanien bauen

Ich möchte eine kleine Solaranlage aufbauen (etwa vier Platten). Nun habe ich gehört, dass Monokristalline Solarzellen in südlichen Ländern nicht zu empfehlen sind. Statt dessen sollen Polykristalline Solarzellen verwendet werden. Stimmt das? Lebe derzeit in Andalusien.
Antwort von Clen Solar GmbH & Co. KG

Hallo Herr Lenz,

Poly- und Monozellen werden aus Blöcken geschnitten.
Bei Mono wird eine Verdichtungsverfahren der der Blöcke durchgeführt, welche häufiger gepresst werden.
Somit erhalten Monozellen erstens ihre dunkle Zellenfarbe und zweitens dadurch einen höheren Wirkungsgrad.
Früher hat man Monokristalline gern bei Ost und West Dächern verwendet, da man sich durch den höheren Wirkungsgrad auch ein
besseres Schwachlichtverhalten bei seitlicher Sonneneinstrahlung erhofft hat.
Mittlerweile sind Poly und Mono bei gleicher Ausrichtung kaum noch zu unterscheiden.
Man bekommt natürlich durch die Monozellen mehr Leistung auf die gleiche Fläche und optisch sehen Black Module auch besser aus.
Der Preis ist durch das Produktionsverfahren höher.

Monozellen haben einen kleinen Nachteil in Bezug auf die Zelltemperatur.
Durch die schwarzen Zellen nehmen diese natürlich mehr Wärme auf und damit sinkt auch wieder der Wirkungsgrad.
Dies kann man sehr schön im Sommer und Winter beobachten.
Im Sommer bei einem sehr klaren und heißen Tag machen Sie pro Stunde weniger als im Winter bei klarem und sonnigen Tag.
Hier muss man natürlich den Sonnenstand gegenrechnen.

Durch diese Eigenschaft der Monozellen wird öfters behaupten, man sollte diese nicht in südlichen Ländern verwenden.
Ganz ehrlich, Sie können mit ruhigem Gewissen Monozellen verwenden.

Sonnige Grüße

Clen Solar GbR
Enrico Heymann

Kleine Monokristialline Solarmodule

Gibt es monokristalline Solarzellen, die nicht länger als 1,50m sind?
Antwort von Wiebach Elektrotechnik

Sicherlich meinen Sie Solarmodule, die es selbstverständlich in fast allen Größen gibt.
Standard-Solarzellen (kristalline) sind in der Regel 5", 6" oder (selten) 7" (12,7; 15,24 oder 17,78 cm).

Auf Grund dieser unterschiedlichen Maße und der Anzahl der verschalteten Zellen in einem Modul ergibt sich dessen Größe.

Photovoltaik: Modultypen im Vergleich

Ich habe einige Fragen zu den unterschiedlichen Modultypen für Photovoltaik: 1. Welche Lebensdauer haben Monokristalline Module? 2. Wie unterscheiden sich mono- und polykristalline Module hinsichtlich der Preise? 3.) Bei welchem Modultyp erhält man das bestmögliche Preis-Leistungsverhältnis: Monokristalline Module, Polykristalline Module oder Dünnschicht-Module? (im Hinblick auf Anschaffungskosten, Wirkungsgrad und Haltbarkeit)?
Antwort von Energieberatung Leitlein

1. In der Regel geht man von 25 bis 30 Jahren aus. Hängt auch von der Fertigungsqualität ab.

2. Die Polykristalline Module sind pro Watt etwas günstiger als die monokristallienen Module.

3. Nach meiner Meinung bei monokristallienen Modulen.

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