Monokristalline Solarzellen: Eine neue Lösung für die Solarenergie 

Für Satelliten und bodengestützte Photovoltaikanlagen

Juli 2021 Monokristalline Solarzellen wurden zunächst für Satelliten und Raumfahrttechnik entwickelt. Später wurden monokristalline Solarmodule, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen, auch für bodengestützte Photovoltaikanlagen eingesetzt. Monokristalline Module sind teurer als polykristalline Module, ihre Wirkungsgrade sind jedoch wesentlich höher.MS

Solarzellen aus hochreinem Silizium monokristallin.

Hochreines Silizium in monokristallinen Solarzellen steigert den Wirkungsgrad erheblich. Bild mit freundlicher Genehmigung von wagner-solar.com In einem komplizierten Verfahren werden monokristalline Solarzellen für Photovoltaikanlagen aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Dabei werden einkristalline Stäbe aus einer Siliziumschmelze gezogen. Das Czochralski-Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Material und eine Phase bei der Herstellung von monokristallinen Solarzellen. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial, Silizium, in einem Tiegel geschmolzen. Dort wird ein sich drehender Metallstab mit einem “Impfkristall” eingeführt. Auf diesem Kristallisationskeim “wächst” eine Kristallschicht. Das Czochralski-Verfahren produziert zwar nicht so hochwertiges monokristallines Silizium wie das Zonenschmelzverfahren, ist aber wesentlich preiswerter und das bevorzugte Verfahren für monokristalline Solarzellen.String Ribbon wiederum bezieht sich auf ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von Wafern, dem Ausgangsmaterial für Solarzellen. Bei diesem Verfahren werden Drähte durch geschmolzenes Silizium gezogen. Aufgrund der Oberflächenspannung bildet sich zwischen den Drähten ein Band aus Silizium, das dann zu Wafern verarbeitet wird. Im Gegensatz zum Sägen von Wafern aus massiven Silizium Blöcken können bei der String-Ribbon-Technik bis zu 50 % Silizium eingespart werden. Die Herstellung ist besonders umweltschonend und trägt zur energetischen Amortisation von Solarmodulen bei, anschließend werden die monokristallinen Solarzellen zu Solarmodulen zusammengefasst. Durch die Reihenschaltung der Solarzellen wird eine größere Spannung erreicht, was besonders bei kleineren Photovoltaikanlagen von Vorteil ist. Bei teilverschattung Solarmodulen sorgt eine Parallele Verschaltung der Solarzellen für einen besseren Durchschnittsertrag.MS

Monokristalline Solarzellen: Hoher Wirkungsgrad.

Eine monokristalline Solarzelle hat aus mehreren Gründen einen hohen Wirkungsgrad. Zum einen handelt es sich um Einkristalle. Das bedeutet, dass es bei diesen monokristallinen Zellen keine Energieverluste in den Grenzbereichen der einzelnen Kristalle gibt.IBC MonoSol 325 monokristallines Solarmodul | IBC SOLAR AG ist die Quelle dieses Bildes. Darüber hinaus haben monokristalline Solarzellen im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen eine sehr hohe Kalziumkonzentration. Daher sind sie bei direkter Sonneneinstrahlung die effizientesten Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 20 % – oder etwas mehr. Die Module von Jinkosolar erreichten im ersten Quartal 2021 einen neuen Rekord Wirkungsgrad von 24,9 %. Diese Modellvariante ist auch ideal, wenn nur eine kleine Dachfläche für eine Solaranlage zur Verfügung steht oder eine hohe Leistung benötigt wird. Monokristalline Solarmodule werden z.B. von IBC Solar, Suntech, Schott Solar und Aleo Solar hergestellt, sind aber aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses teurer als monokristalline Module. Bei diffusem Licht haben monokristalline Solarzellen eine schlechte Leistung. Wenn die Dachfläche nicht direkt nach Süden ausgerichtet ist, kann sich der Wirkungsgrad der Solarmodule daher verringern. Ein Nachführsystem hingegen kann die Ausrichtung der Module an verschiedenen Standorten korrigieren.

Eigenschaften und Leistungsdaten von monokristallinen Modulen

Um sich vor dem Kauf von monokristallinen Modulen für Ihre Photovoltaikanlage ein vollständiges Bild machen zu können, ist eine Auflistung der wichtigsten Daten erforderlich. Nachfolgend einige typische Werte monokristalliner Solarmodule:Das Gewicht liegt zwischen 17,5 kg und 22,85 kg pro Modul.Die Modulabmessungen betragen im Durchschnitt etwa 1. 700×1. 038 x 40 mm.Ungefähre Nennleistung: 300 bis 400 W Effizienzen liegen zwischen 18 und 20 Prozent.Degradationsrate: etwa 0,5% pro Jahr Produktgarantie: 11 bis 30 Jahre.

Monokristalline Solarzellen: Energieintensiver Herstellungsprozess.

Monokristalline Solarzellen haben aufgrund des zeitaufwändigen und energieintensiven Herstellungsprozesses eine geringere Umweltbelastung als andere Photovoltaikmodule. Da zunächst mehr Energie in die Produktion investiert wurde, dauert es länger, diesen Aufwand durch Energieeinsparungen wieder auszugleichen. Dies bedeutet, dass die energetische Amortisationszeit für monokristalline Solarmodule wesentlich länger ist als für polykristalline Solarmodule, d.h. der Zeitraum, bis der Solarertrag die Energiekosten für die Herstellung übersteigt.Monokristalline Solarzellen werden derzeit in etwa einem Drittel aller Photovoltaikanlagen eingesetzt. Es wird jedoch erwartet, dass dieser Anteil steigen wird. Die Module sind zwar schwieriger zu bauen und teurer in der Anschaffung, aber ihr hoher Wirkungsgrad gleicht dies aus.

Wie viel kosten monokristalline Module?

Monokristalline Solarmodule sind von sehr hoher Qualität, sowohl was die Herstellung als auch was die Leistung betrifft. Dies spiegelt sich auch im Anschaffungspreis wider. Die Preise für ein monokristallines Solarmodul mit monokristallinen Zellen können je nach Hersteller zwischen 180 und 350 Euro liegen. Diese Zahlen sind beispielsweise höher als die von polykristallinen Zellen.Beispiel für eine Kostenberechnung für monokristalline Zellen: Für ein kWp Leistung werden etwa vier monokristalline Module benötigt, wenn man ein Verhältnis von 6 qm/kWp annimmt. Ein kWp kann also zwischen 720 und 1.400 Euro kosten. Für eine 6-kWp-PV-Anlage, die Standardgröße für ein Einfamilienhaus, werden 24 Module benötigt. Daraus ergeben sich Preise zwischen 4.300 und 8.400 Euro. Je nach Dachausrichtung, Modulmarke und anderen Überlegungen können diese Berechnungen abweichen. Die angegebenen Kosten sind daher nur als Richtwert zu betrachten.

Monokristalline Solarzellen: Wo sind monokristalline Solarmodule sinnvoll einsetzbar?

Wenn der Platz auf dem Dach begrenzt ist, sind die leistungsstarken monokristallinen PV-Module besonders gut geeignet. Wenn Sie also nur eine kleine Dachfläche haben, sollten Sie das Beste daraus machen. Monokristalline Module sind für diese Anwendung hervorragend geeignet. Eine solche Situation kann zum Beispiel entstehen, wenn neben der Photovoltaik auch Solarthermie genutzt werden soll und ein Teil des Daches für Kollektoren benötigt wird.

Wie groß muss die Mindestfläche für monokristalline PV-Module sein?

Um ein Kilowattpeak Solarstrom zu erzeugen, benötigen monokristalline Solarzellen die kleinste Fläche unter den verschiedenen Solarmodulen. Das folgende Berechnungsbeispiel zeigt, wie viele Quadratmeter benötigt werden.Berechnungsbeispiel:Sie benötigen etwa 6-9 Quadratmeter Dachfläche, um ein Kilowatt Spitzenleistung zu erzeugen. Monokristalline PV-Module zum Beispiel können bei einer Dachfläche von 50 Quadratmetern etwa 8,3-5,6 kWp Leistung erzeugen.

Monokristalline Solarzellen: Vorteile und Nachteile.

Vorteile Nachteile Hoher Wirkungsgrad (ca. 20-30%) Diffuse Lichtverluste im hohen Leistungsbereich (bis ca. 400W) Bei hohen Temperaturen wird die Leistung reduziert. Langlebige Module sind teurer als polykristalline und Dünnschichtmodule. platzsparend Dünnschicht- und CIGS-Module sind schwerer. Der Strömungswiderstand ist gering. Neben monokristallinen und polykristallinen Solarzellen gibt es auch Dünnschichtmodule. Es ist ratsam, sich bei der Auswahl von Modulen von einem qualifizierten Photovoltaik-Unternehmen beraten zu lassen.FAQ

Vertiefter Aufbau monokristalliner Solarzellen.

Solarzellen werden in einem langwierigen Prozess hergestellt. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe hergestellt. Diese Stäbe werden anschließend in Wafer, also winzige Scheiben, zerlegt. Solarmodule bestehen aus Wafern, die miteinander verbunden sind. Die Verschaltung kann entweder in Reihe oder parallel erfolgen. Je nach System bieten diese Schaltungen unterschiedliche Vorteile.

Monokristalline Solarzellen sind von allen verfügbaren Technologien die effizientesten. Das bedeutet, dass sie deutlich mehr Strom pro Flächeneinheit erzeugen als vergleichbare Solarzellen anderer Bauarten. Daher sind monokristalline Solarzellen nicht nur für diejenigen attraktiv, die nur eine kleine Dachfläche haben, sondern auch für diejenigen, die eine möglichst große Menge Strom erzeugen wollen oder müssen. Wenn Sie also den Wirkungsgrad Ihres eigenen Stroms maximieren wollen, um so autark wie möglich zu sein und die von Ihnen erzeugte Energie zu nutzen, ist der Wirkungsgrad entscheidend. Mit einer ausreichend großen Dachfläche und monokristallinen Solarmodulen können Sie die höchstmögliche Stromproduktion erzielen und im besten Fall Ihren Fremdstromverbrauch über mehrere Monate hinweg deutlich reduzieren. Das spart nicht nur Geld, sondern wirkt sich auch positiv auf die Umwelt aus, denn der Energiemix in Deutschland ist immer noch stark von der Kohle abhängig.

Monokristalline Solarzellen: Zeitraum der Rückerstattung.

Es wird zwischen der energetischen und der wirtschaftlichen Amortisation unterschieden.

Die wirtschaftliche Amortisationszeit ist der Zeitraum, in dem ein Photovoltaikmodul mehr einbringt als es in der Anschaffung kostet. Monokristalline Module haben aufgrund ihrer höheren Kosten eine etwas längere Amortisationszeit als polykristalline und Dünnschichtmodule.

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitraum, in dem ein Photovoltaik Modul mehr Energie erzeugt als es verbraucht. Seit 2000 hat sich der Energieaufwand (KEA) für die Herstellung von Solarmodulen halbiert. Beide Modultypen haben heute eine Amortisationszeit von weniger als zwei Jahren. Bei monokristallinen Modulen ist sie ein paar Monate länger.

Herstellungsverfahren für monokristalline Module.

Monokristalline Module werden aus Silizium, einem Halbleitermaterial, hergestellt. Sie bestehen aus monokristallinen Stäben, die zu ihrer einheitlichen, homogenen Kristallstruktur beitragen. Sie sorgt für den hohen Wirkungsgrad der monokristallinen Module. Dieses Herstellungsverfahren ist jedoch äußerst komplex und kostspielig, was den hohen Preis der Module erklärt. Die kristallinen Stäbe werden bis zum flüssigen Zustand geschmolzen und dann aus der Siliziumschmelze herausgelöst. Die Ingots werden dann in dünne Scheiben gesägt, die auch als “Wafer” bezeichnet werden. Schließlich werden die einzelnen Solarzellen zu Solarmodulen verbunden, die beschichtet und gerahmt werden. Monokristalline Solarmodule haben ein dunkelblaues bis schwärzliches Aussehen. Sie scheinen flach und glatt zu sein.

Monokristalline Solarzellen: Installation und Wartung.

Monokristalline Module sind relativ einfach auf Dächern zu installieren. Sie sind zwar schwerer als Dünnschichtmodule und wiegen im Durchschnitt zwischen 8 und 16 kg, je nach Größe. Aufgrund ihrer Bauweise und vorgefertigter Montagesysteme lassen sich die Module leicht auf dem Dach befestigen. Die einzelnen Solarzellen sind miteinander verschaltet und entweder mit einer Ethylen-Vinyl-Acetat-Folie oder einer weitgehend transparenten Solarglasscheibe abgedeckt. Zusätzlich können sie auf der Vorder- und Rückseite von zwei Glasscheiben umhüllt sein. Dies wird als Glas-Glas-Modul bezeichnet. Ein Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl rahmt die Module ein und fixiert sie auf dem Dach.

Monokristalline Solarzellen: Solarzellen werden auf unterschiedliche Weise hergestellt.

Ein Siliziumblock wird in monokristalline Solarzellen zersägt. Daher war zu Beginn der Produktion eine enorme Menge an Material für die Herstellung einer Solarzelle erforderlich. Inzwischen ist es dank moderner Diamantseilsägen möglich, den Verbrauch drastisch zu minimieren. Wurden vor einigen Jahren noch rund 4,8 Gramm Silizium pro Watt Waferleistung benötigt, so sinkt dieser Wert heute stetig. Derzeit liegen wir bei Wafer Ausstoß Werten von 3,6 bis 4,0 Gramm pro Watt.

Polykristalline Solarzellen im Vergleich

Polykristalline Solarzellen sind eine Alternative zu monokristallinen Solarzellen. Sie bestehen aus einer Vielzahl kleiner, miteinander verbundener Kristalle. Infolgedessen sinkt der Wirkungsgrad dieser Zellen drastisch, da Energie an den Kristall Grenzen verloren geht. Obwohl diese Solarzellen heute in der Herstellung billiger sind, könnte sich dies in Zukunft ändern, wenn die Verarbeitungstechnologie für monokristalline Zellen verbessert wird.

Monokristalline Solarzellen: Solarzellen aus CIGS 

CIGS-Module sind Dünnschichtmodule, bei denen das Silizium nur auf einer Oberfläche aufgedampft wird. Dadurch können diese Module extrem kostengünstig hergestellt werden. Nachteilig ist jedoch die Tatsache, dass diese Module ineffizient sind. Daher benötigen Sie eine große Fläche, damit solche Lösungen für Sie funktionieren. Diese Module werden in der Regel an Orten mit geringer Tragfähigkeit eingesetzt. Diese Methode könnte für die Verkleidung von Wänden oder die Beschichtung von Dächern mit geringer Tragfähigkeit von Vorteil sein.

Die Marktanteile der verschiedenen Solarzellen

Im Allgemeinen machen Solarmodule auf Wafer Basis, wie monokristalline und polykristalline Module, mehr als 90 % des Marktes aus. Dünnschichtmodule hingegen haben derzeit einen Marktanteil von weniger als 5 %. Doch wie schneiden die wafer basierten Solarmodule im Vergleich zueinander ab? Polykristalline Solarmodule haben derzeit einen Marktanteil von etwa 70 %. Monokristalline Module liegen nur bei 30 %, aber sie sind sicherlich im Kommen. Das liegt vor allem daran, dass sich die Herstellungsbedingungen verbessert haben und die Produktionstechnik verfeinert wurde. So wird bei monokristallinen Solarzellen wesentlich weniger reines Silizium verbraucht. Dies spiegelt sich auch im Preis wider. Solche Senkungen sind besonders deutlich, weil das für monokristalline Solarzellen benötigte Silizium besonders teuer ist. Experten zufolge werden monokristalline Solarzellen im Jahr 2020 einen Marktanteil von etwa 47 % haben. Solange nicht eine völlig neue Technologie, wie z.B. organische Solarzellen, die monokristallinen Module abgelöst, werden monokristalline Module über kurz oder lang zum Standard werden.

Monokristalline Solarzellen: Vorteile.

Von allen Optionen bieten monokristalline Solarzellen den besten Wirkungsgrad. Das bedeutet, dass Sie auf der gleichen Fläche wesentlich mehr Strom erzeugen als vergleichbare Solarzellen anderer Typen. Daher sind monokristalline Solarzellen nicht nur für diejenigen interessant, die eine kleine Dachfläche haben, sondern auch für diejenigen, die so viel Strom wie möglich erzeugen wollen oder müssen. Wenn Sie also den Wirkungsgrad Ihres eigenen Stroms maximieren wollen, um so autark wie möglich zu sein und die von Ihnen erzeugte Energie zu nutzen, ist der Wirkungsgrad entscheidend. Mit einer ausreichend großen Dachfläche und monokristallinen Solarmodulen können Sie die höchste potenzielle Stromerzeugung erzielen und so im besten Fall Ihren Fremdstromverbrauch über viele Monate hinweg erheblich reduzieren. Das spart nicht nur Geld, sondern hilft auch der Umwelt, denn der Energiemix in Deutschland ist immer noch stark von der Kohle abhängig.

Monokristalline Solarzellen haben einen Nachteil.

Monokristalline Solarmodule sind schwieriger zu produzieren und daher teurer in der Anschaffung. Sie müssen jedoch bedenken, dass diese Solarmodule auch wesentlich mehr Strom produzieren. Das bedeutet, dass diese Module auf lange Sicht eine wesentlich höhere Investitionsrendite bieten. Durch den hohen Wirkungsgrad machen Sie den größten Gewinn, wenn sich die Solarmodule amortisiert haben. Vor allem dann, wenn Sie den Großteil des Stroms selbst verbrauchen und dadurch viel Geld bei Ihrer Stromrechnung sparen. Die Einspeisevergütung ist dann nur ein netter Bonus, den Sie nebenbei in Anspruch nehmen können.

Welche Monokristalline Solarzelle passt am besten zu meinen Bedürfnissen?

Das ist eine schwer zu beantwortende Frage. Monokristalline Solarmodule werden im Allgemeinen aufgrund ihrer hohen Leistung und ihres hervorragenden Schwachlichtverhaltens bevorzugt. Das liegt daran, dass sich diese Module durch den besseren Wirkungsgrad von der Konkurrenz abheben. Um die für Sie perfekte Solaranlage auszuwählen, empfehlen wir eine individuelle Beratung.

Monokristalline Solarzellen: Marktwirtschaftliche Alternativen

Auf dem Markt gibt es viele weitere Möglichkeiten. Eine davon sind Dünnschichtmodule, die sich durch ihr geringes Gewicht, niedrige Kosten, aber leider auch einen geringen Wirkungsgrad auszeichnen. Sie eignen sich am besten, wenn Sie über eine große Dachfläche verfügen und diese vollständig nutzen wollen.Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von sogenannten Hybrid Modulen. Diese kombinieren Solarthermie und Photovoltaik, um sowohl Energie als auch Warmwasser zu liefern. Aufgrund der erforderlichen Technologie sind diese jedoch sehr teuer und nur unter sehr begrenzten Umständen zu empfehlen. Wenn genügend Dachfläche vorhanden ist, ist es häufig kostengünstiger, Solarthermie- und Photovoltaikanlagen zu trennen. Das liegt daran, dass die Kühlung von Hybrid Modulen umständlich ist und schnell zu Problemen führen kann.

Monokristalline Solarzellen: Eine neue Lösung für die Solarenergie 

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