Eine PV-Anlage besteht aus Solarmodulen und einem Wechselrichter

Eine Photovoltaikanlage besteht aus Solarmodulen, in denen aus Sonnenlicht Gleichstrom erzeugt wird, und einem Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Grob lassen sich drei Gruppen von Fotovoltaik-Modulen unterscheiden: Monokristalline Module, Polykristalline Fotovoltaik-Module und Dünnschicht-Fotovoltaikzellen. Die Frage, welches Modul für das eigene Vorhaben passt, sollte mit einem Experten überlegt werden.

Monokristalline Module sind effizient, aber teuer

Monokristalline Module werden aufwändig aus Silizium hergestellt. Die Solarzellen der Module werden aus Einkristall-Siliziumwafern gesägt. Das bedeutet, dass der Siliziumblock, aus dem die Scheiben herausgesägt werden, aus einem einzigen Kristall besteht. Wegen des sehr hohen Siliziumgehalts der einzelnen Photovoltaikzellen sind diese Module sehr effektiv, was sich auch auf den Wirkungsgrad und somit die höhere Solarernte auswirkt. Allerdings sind sie auch die teuersten Module am Markt.

Monokristalline Photovoltaik-Module erreichen Wirkungsgrade von 14 bis 20 Prozent. Aus diesem Grund sind sie auch sehr gut für Dächer geeignet, bei denen nur eine geringe Fläche zur Verfügung steht, um eine PV-Anlage zu installieren. Die PV-Module haben eine Lebensdauer von etwa dreißig Jahren, von denen die Hersteller etwa für zwei Drittel eine Hersteller-Leistungsgarantie übernehmen. Optisch erkennt man die monokristallinen Zellen an der gleichmäßig blauen oder schwarzen Oberfläche.

Polykristalline Module kommen oft zum Einsatz

Polykristalline Fotovoltaik-Module sind die häufigsten Modultypen. Hierbei werden die Photovoltaik-Zellen aus einem multikristallinen Siliziumblock gesägt. Dieses Verfahren ist gegenüber monokristallinen Zellen günstiger, da der Siliziumwafer mehrere Kristalle besitzt. Dass polykristalline Photovoltaik-Module einen geringeren Wirkungsgrad haben als monokristalline Module ist vor allem darauf zurückzuführen, dass diese bei der Herstellung weniger reines Silizium beinhalten. Neueste polykristalline Zellengenerationen erreichen jedoch durch zusätzliche Oberflächenbehandlungen Wirkungsgrade, die zum Teil über denen monokristalliner Zellen liegen.

Optisch erkennt man polykristalline Zellen an der marmorartigen Struktur. Die Lebenserwartung polykristalliner Photovoltaik-Module beträgt etwa 30 Jahre. Ihren im Vergleich zu den monokristallinen Solarzellen schlechteren Wirkungsgrad gleichen polykristalline Module durch einen deutlich geringeren Preis aus. Daher eignen sich diese Photovoltaik-Module sehr gut, wenn größere Dachflächen zur Verfügung stehen.

Sowohl polykristalline als auch monokristalline Solarzellen produzieren weniger Solarstrom, wenn sie heiß werden. Daher gibt es Modulkonzepte, die im Sommer für eine Kühlung der Solarzellen sorgen. Beispiele sind kombinierte PV-Luft-Kollektoren oder PV-Sole-Kollektoren, die Photovoltaik und Solarthermie in einem Modul vereinen. Diese werden auch PVT-Kollektoren genannt.

Dünnschicht-Photovoltaikmodule sind auf dem Vormarsch

Dünnschichtzellen können aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, beispielsweise amorphem Silizium, Cadmium-Indium-Diselenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid. Der Unterschied zu den mono- und polykristallinen Siliziumzellen besteht in der Herstellung.

Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen werden fotoaktive Halbleiter als dünne Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht. Die Schichtdicken betragen hierbei nur etwa 0,001 Millimeter. Da bei der Produktion bedeutend weniger Energie und Material verbraucht wird, sind Dünnschichtsolarzellen  bedeutend kosteneffizienter.

Weitere Vorteile sind die hohe Flexibilität der Zellen, so dass sie oft als Designelement oder als Sonnenschutz eingesetzt werden, und die geringere Anfälligkeit bei Verschattungen. Der Leistungsabfall bei Verschattung ist vergleichsweise gering. Ein Nachteil ist der geringere Wirkungsgrad gegenüber Siliziumzellen.

Das aktive Halbleitermaterial bei CIS-Solarzellen ist Kupfer-Indium-Diselenid, ihre Farbe ist schwarz. Unter den Dünnschicht-Photovoltaikmodulen haben CIS-Module derzeit den höchsten Wirkungsgrad. Er beträgt im Durchschnitt 14 bis 17 Prozent, im Labor wurden aber auch schon über 20 Prozent erzielt.

Ein eindrucksvolles Beispiel für den Einsatz von CIS-Technologie liefert der CIS Solar Tower, der mit einer Höhe von 122 Metern 180.000 kWh Strom pro Jahr liefert. Hier wurden die Module in der Fassade integriert.

In der Entwicklungsphase sind verschiedene vielversprechende Technologien wie zum Beispiel die Tandemzellen oder Trippelzellen, bei denen durch Materialkombinationen ein größerer Lichtbereich ausgenutzt werden kann, oder fokussierende Zellen, bei denen durch ein Linsensystem das einfallende Licht gebündelt wird und somit eine wesentlich kleinere Fotovoltaik-Zelle benötigt wird.

Bei amorphen Siliziumzellen ist der  fotoaktive Halbleiter amorphes (gestaltloses) Silizium, das als dünne Schicht auf das Trägermaterial, in den meisten Fällen Glas, aufgebracht wird. Der geringere Material- und  Energieverbrauch und die Möglichkeit des hohen Automatisierungsgrades der Fertigung bieten beträchtliche Einsparpotenziale gegenüber der kristallinen Siliziumtechnologie. Nachteil der amorphen Zellen ist der geringe Wirkungsgrad von 5 bis 8 Prozent (stabilisierter Zustand). Flexible Photovoltaikmodule auf Metall- oder Kunststofffolien sind möglich. Die Struktur ist homogen, die Farbe ist rötlichbraun bis schwarz.

PVT-Kollektoren sind umstritten

Photothermie verbindet die Erzeugung von Strom und Wärme durch Solaranlagen. Das Angebot an PVT-Modulen ist derzeit noch beschränkt. Das dürfte nicht zuletzt daran liegen, dass die Kombination umstritten ist. Ein gängiges Argument ist, dass die Funktionen von Solarthermie und Photovoltaik sich gegenseitig stören. "Ein Sonnenkollektor zur Gewinnung von Wärme wird bei möglichst hohen Temperaturen betrieben. Photovoltaikzellen zur Stromerzeugung dagegen arbeiten umso besser, je kühler sie sind", so Michael Powalla vom Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung ZSW in Stuttgart.

Der Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Thermie-Moduls (PVT) sei immer ein Kompromiss, sagt Powalla. Weder die Stromerzeugung noch die Wärmegewinnung könne optimal betrieben werden. Allerdings hat die Kombination auch Vorteile. Befürworter führen an, dass Kombimodule insgesamt mehr Sonnenenergie nutzbar machen können. Photovoltaikmodule alleine nutzten maximal 20 Prozent der Sonnenenergie, der Rest gehe unnötigerweise verloren. Potovoltaik-Module würden ohnehin heiß. "In Kombimodulen können sie gekühlt werden, so dass die Temperatur sinkt und der Stromertrag steigt", führt der Experte Matthias Rommel an, der bis Anfang 2009 die Gruppe Thermische Kollektoren und Anwendungen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) leitete.

Wechselrichter wandelt den Strom um

Wechselrichter wandeln den von Solarstrom-Anlagen erzeugten Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom um, der ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Bei der Energieumwandlung geht ein Teil des Solarstroms verloren. Der Wirkungsgrad liegt also nicht bei 100 Prozent, sondern in einem Bereich von 93 bis 98 Prozent. Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme aber auch Hersteller sind ständig dabei, neue Wirkungsgradrekorde zu erzeugen und leistungsfähigere Wechselrichter in die Serienfertigung zu führen. Für den Besitzer einer Fotovoltaik-Anlage bringt ein um ein Prozent höherer Wirkungsgrad über 10 Jahre bei einer 30 Kilowatt Anlage rund 3.000 kWh oder 1.300 Euro Mehrertrag.

Je nach Hersteller, Konfiguration und Ausstattung liegen die Kosten bei etwa 7 bis 13 Prozent des gesamten Anlagenpreises. Weltweit bieten etwa 40 Hersteller Wechselrichter für unterschiedliche Leistungsbereiche an. Der deutsche Markt wird von SMA und Siemens angeführt. Die meisten der insgesamt hunderte von Geräten ist für den unteren Leistungsbereich bis 10 Kilowatt vorgesehen und kommen in Hausanlagen zum Einsatz.

Einige Hersteller haben auf Diebstähle von Wechselrichtern reagiert und Diebstahlsperren entwickelt, die zum Beispiel für Brecheisen keine Angriffsfläche mehr bieten und mit einem Schloss ausgestattet sind, das nicht aufgeschraubt werden kann.