Blog

Jun 09, 2023

Wie werden Solarmodule hergestellt? (2023)

Leonardo David ist Elektromechaniker, MBA, Energieberater und technischer Redakteur. Seine Beratungserfahrung im Bereich Energieeffizienz und Solarenergie deckt Branchen wie Banken und Textilien ab

Leonardo David ist Elektromechaniker, MBA, Energieberater und technischer Redakteur. Seine Beratungserfahrung im Bereich Energieeffizienz und Solarenergie umfasst Branchen wie Banken, Textilherstellung, Kunststoffverarbeitung, Pharmazie, Bildung, Lebensmittelverarbeitung, Immobilien und Einzelhandel. Seit 2015 schreibt er außerdem Artikel zu Energie- und Ingenieurthemen.

Tori Addison ist eine Redakteurin, die seit über fünf Jahren in der digitalen Marketingbranche tätig ist. Ihre Erfahrung umfasst Kommunikations- und Marketingarbeit im gemeinnützigen, staatlichen und akademischen Bereich. Sie ist von Beruf Journalistin und begann ihre Karriere als Berichterstattung über Politik und Nachrichten im New Yorker Hudson Valley. Ihre Arbeit umfasste die Berichterstattung über lokale und staatliche Haushalte, Bundesfinanzvorschriften und Gesundheitsgesetze.

Solarmodule sind im Laufe der Zeit effizienter und erschwinglicher geworden – zwischen 2010 und 2022 stieg der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen (PV) von 14 % auf über 22 %. Diese Verbesserungen in der Solartechnologie waren dank Innovationen und umfangreichen Investitionen in Herstellungsprozesse möglich, aber wie genau werden Solarmodule hergestellt?

In diesem Artikel besprechen wir vom MarketWatch Guides-Team Schritt für Schritt den Herstellungsprozess von Solarmodulen, von den ersten Phasen bis hin zur Montage, Prüfung und den Auswirkungen auf die Umwelt.

Die meisten Solar-PV-Module verwenden Silizium-Solarzellen, die Sie in zwei Haupttypen einteilen können: monokristallin und polykristallin. Beide Arten von PV-Zellen bestehen aus hochreinem Silizium, haben jedoch unterschiedliche Herstellungsverfahren:

Monokristalline Solarmodule können Sonnenlicht effizienter in Strom umwandeln, sind jedoch komplexer und teurer. Polykristalline Solarmodule sind einfacher herzustellen und kostengünstiger, haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad.

Die technischen Details der Herstellung von Solarmodulen sind komplex, aber in den folgenden Abschnitten werden wir jeden Schritt im Prozess aufschlüsseln. Die folgenden Schritte gelten für kristalline Silizium-Solarmodule, die über 90 % des Weltmarktanteils ausmachen. Andere Paneltypen, darunter auch Dünnschichtpanels, haben je nach Material unterschiedliche Herstellungsverfahren.

Nach Angaben der Royal Society of Chemistry ist Silizium eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und macht 27,7 % der Erdkruste aus. Allerdings ist natürlich vorkommendes Silizium mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Phosphor und Stickstoff verbunden. Die Hersteller müssen diese Rohstoffe verarbeiten, um das reine Silizium zu erhalten, das für die Herstellung von Solarmodulen benötigt wird.

Der Sauerstoffgehalt von mineralischem Siliciumdioxid kann durch hohe Temperaturen entfernt werden, wodurch hochreines Silicium entsteht. Die Solarindustrie verwendet 99,9999 % reines Polysilizium zur Herstellung sowohl polykristalliner als auch monokristalliner Solarzellen.

Poly-Zellen haben einen einfacheren Produktionsprozess, bei dem polykristalline Siliziumblöcke in die quadratischen Wafer gegossen und geschnitten werden, die zur Herstellung von PV-Zellen verwendet werden.

Die Herstellung von Monozellen ist komplexer, da Solarhersteller zunächst sicherstellen müssen, dass das geschmolzene Silizium zu einem Einkristall erstarrt. Der Prozess basiert auf der Czochralski-Methode, bei der Kristalle durch Eintauchen eines kleineren „Impfkristalls“ in geschmolzenes Silizium „gezüchtet“ werden. Das Ergebnis ist ein großer zylindrischer Block aus einem einzelnen Siliziumkristall, den Hersteller in Solarzellen schneiden können.

Hersteller können die Effizienz von PV-Zellen verbessern, indem sie kontrollierte Mengen an Bor und Phosphor hinzufügen. Der Wirkungsgrad von Solarmodulen misst die Menge an Sonnenlicht, die eine Solarzelle in Energie umwandeln kann.

Die hinzugefügten Elemente wirken als Halbleiter – Phosphor führt zu Silizium vom n-Typ, während Bor zu Silizium vom p-Typ führt.

Mit anderen Worten: Dieser Prozess wandelt Sonnenlicht in elektrischen Strom um.

Solarmodule bestehen aus mehreren PV-Zellen, die über Silberleiter und Kupferlot miteinander verbunden sind. Es gibt viele Modulgrößen, aber die meisten Solarmodule für Privathaushalte haben 60 oder 72 Zellen. Einige Hersteller stellen Solarmodule mit 120 oder 144 Halbzellen her, die ungefähr die gleichen Abmessungen haben wie 60- und 72-Zellen-Module.

Hersteller überziehen die PV-Zellen mit einer Antireflexbeschichtung, um die Absorption des Sonnenlichts zu erhöhen. Solarmodule sind außerdem mit zwei Schichten Ethylenvinylacetat (EVA) eingekapselt, was dazu beiträgt, die Module vor Staub und Feuchtigkeit zu schützen. Die Endmontage umfasst das Abdecken des Panels mit einer vorderen gehärteten Glasscheibe und einer Polymer-Rückseite.

Wie bereits erwähnt, verwenden Solarmodule eine Reihe von PV-Platten, die von Polymerschichten umgeben sind. Die Vorderseite eines Panels ist mit einer durchscheinenden Hartglasscheibe bedeckt, während die Rückseite mit einer Rückseite aus wetterbeständigem Kunststoff bedeckt ist. Schließlich hält ein starrer Aluminiumrahmen das Solarpanel zur strukturellen Unterstützung zusammen.

Die Rückseitenfolie enthält auch eine Anschlussdose, die die elektrischen Anschlüsse enthält, die zur Verkabelung von Solarmodulen verwendet werden. Installateure können PV-Module mit einem gemeinsamen Wechselrichter zu String-Stromkreisen verbinden oder jedes Panel mit einzelnen Mikro-Wechselrichtern ausstatten.

Alle Hersteller verwenden die gleichen Laborbedingungen, um die Leistung und Effizienz von Solarmodulen zu testen. Die Standardtestbedingungen (STC) umfassen die folgenden Richtlinien:

Unternehmen testen Solarmodule auch gegen Hagelschlag, Hurrikanwinde und andere raue Wetterbedingungen. Hochwertige Module sind so konzipiert, dass sie Hagelkörnern mit einem Durchmesser von 1 Zoll, die sich mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h bewegen, und Windgeschwindigkeiten von bis zu 230 km/h standhalten. Viele Solarmodule für Privathaushalte haben eine Herstellergarantie von 25 Jahren und können bei regelmäßiger Reinigung eine Lebensdauer von mehr als 40 Jahren haben.

Laut einer Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) beträgt der CO2-Fußabdruck einer Solarstromanlage über die gesamte Lebensdauer 50 Gramm CO2-Äquivalent pro produzierter Kilowattstunde Strom. Die Studie betrachtet den gesamten Lebenszyklus von Solarmodulen, einschließlich Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Bau, Betrieb und Stilllegung.

Dies ist nur ein kleiner Bruchteil der Emissionen, die von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen erzeugt werden:

Alle Herstellungsprozesse, die Energie und Rohstoffe erfordern, haben Auswirkungen auf die Umwelt, einschließlich Solarmodulen und anderen sauberen Energietechnologien. Allerdings haben erneuerbare Technologien eine geringere Lebensdauerauswirkung als Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen.

Die Installation von Solarmodulen nimmt bei Hausbesitzern in den USA zu. Nach Angaben der Solar Energy Industries Association (SEIA) wurden im Jahr 2022 landesweit mehr als 700.000 Heimsolaranlagen installiert. Aber Sie fragen sich vielleicht, wie Solarmodule funktionieren und woraus sie bestehen.

Die beiden Haupttypen von Panels verwenden Solarzellen aus hochreinem Silizium, es gibt jedoch wichtige Unterschiede in den Herstellungsprozessen. Dadurch bieten monokristalline Module eine höhere Energieumwandlungseffizienz zu einem höheren Preis, während polykristalline Module erschwinglicher sind.

Unternehmen testen Solarpanelsysteme auch unter kontrollierten Laborbedingungen, um Wattleistung und Effizienz zu messen – beides hat Einfluss auf Qualität und Kosten. Die durchschnittliche Solarstromanlage kostet 2,85 US-Dollar pro Watt oder 14.250 US-Dollar für ein 5-Kilowatt-System (kW) und 28.500 US-Dollar für ein 10-kW-System. Sie können Ihren Gesamtpreis senken, indem Sie Solaranreize wie die Bundessteuergutschrift für Solarenergie in Anspruch nehmen.

Wenn Sie langfristig Energie einsparen möchten, ist der Kauf hochwertiger Solarmodule von entscheidender Bedeutung. Selbst die besten Solarmodule können eine schlechte Leistung erbringen, wenn sie nicht ordnungsgemäß installiert werden, und die meisten Hersteller erlöschen Ihre Garantie, wenn es Hinweise auf eine fehlerhafte Installation gibt. Die besten Solarunternehmen können Ihnen beim Kauf und der Installation von Solarmodulen helfen, die dem Energiebedarf und Budget Ihres Hauses entsprechen.

Monokristalline und polykristalline Solarmodule bestehen aus hochreinem Silizium, das in der Natur nicht vorkommt. Kieselsäure und andere Mineralien mit hohem Siliziumgehalt werden abgebaut und zu Polysilizium in Solarqualität verarbeitet.

Dünnschicht-Solarmodule verwenden eine breite Palette von Materialien, darunter amorphes Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Hersteller stellen Dünnschichtplatten her, indem sie diese Materialien als dünne Schicht auf starre oder flexible Oberflächen auftragen.

Einige Komponenten von Solarmodulen werden aus fossilen Brennstoffen hergestellt, darunter die EVA-Verkapselung und die Rückseitenfolie. Auch die Herstellung von PV-Modulen verbraucht große Mengen an Energie, die je nach lokaler Energiequelle aus fossilen Brennstoffen stammen kann.

Nach Angaben des US-Energieministeriums produzierte das Land im Jahr 2022 fünf Gigawatt (GW) – oder 5 Millionen kW – an Solarmodulkapazität. Die genaue Anzahl der im Land hergestellten Solarmodule macht die Behörde nicht bekannt. Geht man von einer durchschnittlichen Panelgröße von 400 Watt aus, entsprechen 5 GW mehr als 12 Millionen Solarmodulen.

Die Anzahl der benötigten Solarmodule hängt von Ihrem Energieverbrauch ab. Wenn man davon ausgeht, dass der durchschnittliche US-Haushalt 886 kWh Strom pro Monat (oder 10.632 kWh Strom pro Jahr) verbraucht, bräuchte man 15 bis 20 Solarmodule. Ihre Anforderungen können jedoch unterschiedlich sein. Wir empfehlen, mit einem professionellen Solarinstallateur zusammenzuarbeiten, um die genaue Anzahl der Solarmodule zu ermitteln, die Sie für die Stromversorgung Ihres Hauses benötigen.

Leonardo David ist Elektromechanik-Ingenieur, MBA, Energieberater und technischer Redakteur. Seine Beratungserfahrung im Bereich Energieeffizienz und Solarenergie umfasst Branchen wie Banken, Textilherstellung, Kunststoffverarbeitung, Pharmazie, Bildung, Lebensmittelverarbeitung, Immobilien und Einzelhandel. Seit 2015 schreibt er außerdem Artikel zu Energie- und Ingenieurthemen.

Tori Addison ist ein Redakteur, der seit über fünf Jahren in der digitalen Marketingbranche tätig ist. Ihre Erfahrung umfasst Kommunikations- und Marketingarbeit im gemeinnützigen, staatlichen und akademischen Bereich. Sie ist von Beruf Journalistin und begann ihre Karriere als Berichterstattung über Politik und Nachrichten im New Yorker Hudson Valley. Ihre Arbeit umfasste die Berichterstattung über lokale und staatliche Haushalte, Bundesfinanzvorschriften und Gesundheitsgesetze.