mini|Polykristalline Solarmodule
Ein Solarmodul, auch Photovoltaikmodul, PV-Modul, Solarpanel oder Solarpaneel genannt, wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Das Modul besteht aus Solarzellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind und mechanisch eine Einheit, ein elektrisches Bauelement, bilden. Solarmodule sind als flexible und starre Ausführung verfügbar. Starre Solarmodule bestehen üblicherweise aus siliziumbasierten Solarzellen, die zwischen zwei Glasplatten oder einer Glasplatte und einer Rückseitenfolie mittels Einbettungsmaterial hermetisch verkapselt sind. Die Solarzellen werden durch diesen Aufbau vor Umwelteinflüssen geschützt. Flexible Solarmodule basieren auf organischen Werkstoffen und werden vorzugsweise im mobilen Bereich eingesetzt.
Ein Solarmodul wird durch seine elektrischen (z. B. Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom), mechanischen, optischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert. Die Kennlinie des Solarmoduls hängt vom verwendeten Halbleitermaterial und vom Herstellungsprozess der Solarzellen ab. Zum Erhalt hoher Effizienz ist es wichtig, dass die verschalteten Solarzellen möglichst gleichartig sind. Dazu werden Solarzellen beim Hersteller entsprechend ihrer elektrischen Kennwerte sortiert. Darüber hinaus werden Solarzellen auch entsprechend ihrer Farbe sortiert, um ein einheitliches Aussehen des PV-Generators (alle Solarmodule einer Photovoltaikanlage) zu gewährleisten.
Seit der Erfindung der Halbleiter-Solarzelle 1954 wurde die Photovoltaik-Leistung von Solarmodulen pro Quadratmeter stetig verbessert. Allein im 21. Jahrhundert ist sie für Standard-Silizium-Solarmodule von 154 Wp/m² im Jahr 2000 auf einen Wert von durchschnittlich 226 Wp/m² im Jahr 2025 gestiegen.
Mechanische Anforderungen Folgende mechanische Anforderungen werden an Solarmodule zum Einbau in eine Photovoltaikanlage gestellt: transparente, strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung robuste elektrische Anschlüsse Schutz der spröden Solarzelle vor mechanischen Einflüssen Hagelfestigkeit (Hagelschutz-Klasse) Schutz der Solarzellen und elektrischen Verbindungen vor Feuchtigkeit Ausreichende Kühlung der Solarzellen Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit
In Deutschland haben 2025 die meisten Bundesländer die Änderung der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen in der Ausgabe 2024/1 (MVV TB 2024/1) durch das DIBt umgesetzt, nach der nun auch Module bis zu einer Fläche von 3 m² ohne Zustimmung im Einzelfall auf Dächern mit einer Neigung von weniger als 75° montiert werden dürfen.
Typischer Aufbau mini|Solarmodul
Im Folgenden wird anhand des weltweit am häufigsten eingesetzten Modultyps der Aufbau erklärt: eine Glasscheibe, meist so genanntes Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) auf der zur Sonne gewandten Seite, die unter anderem zum Schutz gegen Hagel und Verschmutzung dient; bei Fassaden- und Überkopfmodulen wird eher Teilvorgespanntes Glas (TVG) verwendet, das nach dem Bruch eine höhere Resttragfähigkeit hat als das kleinteilig brechende ESG eine transparente Kunststoffschicht (früher Ethylenvinylacetat (EVA), heute meist Polyolefin (PO)), in der die Solarzellen eingebettet sind mono- oder polykristalline Solarzellen, die durch Lötbändchen oder aufgeklebte Kupferdrähte elektrisch miteinander verschaltet sind Einer weiteren Kunststofffolie zum Verkleben der Rückseitenverkapselung, ähnlich der Einbettungsfolie auf der Vorderseite Rückseitenkaschierung mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie z. B. aus Polyvinylfluorid (Tedlar) und Polyester oder einer weiteren Glasscheibe (sogenannte Glas-Glas-Module) Anschlussdose mit Freilaufdiode bzw. Bypassdiode (siehe unten) und Anschlussterminal, häufig bereits werksseitig mit Anschlusskabeln und Steckern (zumeist „MC4“-Steckverbindungen zwischen 4 und 6 mm²) ausgerüstet meistens ein Aluminiumprofil-Rahmen zum Schutz der Glasscheibe bei Transport, Handhabung und Montage, für die Befestigung und für die Versteifung des Verbundes, rahmenlose Module sind meistens als Glas-Glas-Module ausgeführt und werden direkt auf einer Unterkonstruktion mit speziellen Klemmen befestigt individuelle Seriennummer auf dem Rahmen oder bei manchen Fabrikaten zusammen mit den Solarzellen unveränderbar eingebettet
Herstellung Herstellungsprozess Die Fertigung eines Solarmoduls erfolgt weitgehend automatisiert mit der optisch aktiven Seite nach unten. Als erstes wird ein entsprechendes Glas gereinigt und bereitgelegt. Auf dieses kommt dann eine zugeschnittene Bahn EVA-Folie. Die Solarzellen werden mittels Lötbändchen zu einzelnen Strängen (so genannte Strings) verbunden und auf der Scheibe mit der EVA-Folie positioniert. Nun werden die Querverbinder, die die einzelnen Strings miteinander verbinden und zum Ort der Anschlussdose führen, positioniert und verlötet. Anschließend wird alles nacheinander mit einer zugeschnittenen EVA-Folie und einer Polyvinylfluoridfolie als Rückseitenabschluss bedeckt. Als nächster Produktionsschritt erfolgt das Laminieren des Moduls in einem Vakuumsack bei ca. 140 °C oder im Autoklaven mit Überdruck (um 10 bar) und ebenfalls 140 °C. Beim Laminieren bildet sich aus der bis dahin milchigen EVA-Folie eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht, in der die Zellen nun eingebettet sind und die fest mit der Glasscheibe und der Rückseitenfolie verbunden ist. Nach dem Laminieren werden die Kanten gesäumt, die Anschlussdose wird gesetzt und mit den Freilaufdioden bestückt. Nun wird das Modul noch gerahmt, vermessen und nach seinen elektrischen Werten klassifiziert und verpackt.
Herstellungsländer In Deutschland wurden im Jahr 2008 Solarzellen mit einer Leistung von 1.460 MW oder 1.207 MW hergestellt,Photon Jan. 2009, S. 36 ff.: Ein gutes Jahr Spitzenreiter war China, wo Solarzellen mit einer Leistung von 2.589 MW produziert wurden. Deutschland und Japan verloren 2008 Weltmarktanteile, während China, Taiwan und weitere asiatische Länder solche gewannen. 2008 kam rund jede dritte weltweit verkaufte Solarzelle aus China; Deutschland fertigte rund 19 Prozent der Weltproduktion.Photon April 2009, S. 54 ff.: Verhaltenes Lächeln auf langen Gesichtern.
Deutschland war schon 2006 bis 2008 Netto-Importeur von Solarmodulen, da die Produktionsmenge an Solarmodulen kleiner war als die Installationsmenge, zudem wurde die Hälfte der Produktion exportiert. Bei einer Gesamtinstallation von mind. 1.933 MW wurden somit zwei von drei im Jahr 2008 in Deutschland installierte Solarmodule aus dem Ausland importiert.Solarserver (2009): Solarserver: Unterüberschrift Zwei von drei in Deutschland installierten Solarmodulen kamen 2008 aus dem Ausland,
Rund 95 % der 2024 in der EU verwendeten Solarmodule stammten aus China.
Technische Merkmale Die Daten eines Solarmoduls werden genauso wie die Daten einer Solarzelle für standardisierte Testbedingungen (1000 W/m², 25 °C, AM 1,5) angegeben.
mini|Kennlinie (Strom/Spannung) einer Solarzelle beleuchtet und unbeleuchtet Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind:
Short Circuit (SC) Kurzschluss Open Circuit (OC) Leerlauf Maximum Power Point (MPP) Betriebspunkt maximaler Leistung
Die Kennwerte eines Solarmoduls sind: Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt Strom im bestmöglichen Betriebspunkt Leistung im bestmöglichen Betriebspunkt Füllfaktor Temperaturkoeffizient (TK) für die Leistungsänderung (negativ) TK für die Leerlaufspannungsänderung (negativ) TK für die Kurzschlussstromänderung (leicht positiv) Modulwirkungsgrad Aperturwirkungsgrad zulässiger Rückstrom bzw. maximale Stringsicherung maximale Systemspannung
Da eindringende Feuchtigkeit die Lebensdauer eines Moduls durch Korrosion stark verkürzen und elektrisch leitende Verbindungen der stromdurchflossenen Bauteile des Solarmoduls verursachen kann, kommt der dauerhaften Kapselung eine besondere Bedeutung zu. Bei der Berechnung der Leistungsdaten und der Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage wird meist auch die Alterung mitberechnet, beispielsweise eine Verminderung von 1 % jährlich.
Die Freilauf- oder Bypass-Diode mini|Funktionsweise der Freilaufdioden in einer Reihenschaltung mehrerer Solarmodule
Werden mehrere Solarmodule in Reihe – also in einem String – betrieben, so muss antiparallel zu jedem Modul eine Freilaufdiode geschaltet werden, wie dies in nebenstehender Schaltung skizziert ist. Dabei sind in diesem Beispiel die beiden Solarmodule PC1 und PC3 beleuchtet, das mittlere Modul PC2 ist abgeschattet. Der resultierende Stromfluss I im String-Stromkreis durch den Lastwiderstand RL, die Freilaufdiode D2 und die aktiven Solarmodule PC1 und PC3 ist hier rot hinterlegt dargestellt. Der maximale Strom und die Sperrspannung der Freilaufdiode müssen mindestens den Kurzschlussstrom- und Leerlaufspannungswerten eines Moduls gleichen, damit die Diode einerseits den Strom thermisch verkraftet und andererseits nicht durchbricht. Gleichrichterdioden mit 3–30 A bei einer Sperrspannung von bis zu 100 V sind üblich.
Die Freilaufdiode ist so an die Anschlüsse jedes Moduls geschaltet, dass sie im normalen Betriebszustand (Modul liefert Strom) in Sperrrichtung gepolt ist; die Kathode bzw. Ringmarkierung der Diode ist also mit dem positiven Pol des Moduls verbunden. Wenn das Modul durch Verschattung oder durch einen Defekt keinen Strom liefert, würden – ohne Freilaufdiode – die nunmehr in Sperrrichtung betriebenen Photodioden der verschatteten Solarzellen den gesamten String außer Betrieb nehmen. Überschreitet die Spannung der in Reihe geschalteten funktionstüchtigen und bestrahlten Solarmodule des Strings die Sperrspannung des nicht bestrahlten Solarmoduls (ohne Freilaufdiode), kann dies zu dessen Zerstörung führen. Da die anderen Module weiterhin Spannung aufbauen (und Strom liefern können), bildet sich an der verschatteten Stelle eine Überhitzung, die sogar zu einem Brand des Moduls führen kann. Dieser Effekt wird als Hot Spot bezeichnet. Durch die Freilaufdiode wird dies verhindert, weil der Strom dann durch die Freilaufdiode fließen kann und nicht mehr durch die in Sperrrichtung betriebenen Solarzellen in deren Durchbruchsbereich fließen muss. Ein teilverschatteter String kann daher weiterhin – wenngleich auch geringere – elektrische Leistung liefern.
Bei aktuellen PV-Modulen (September 2011) sind diese Freilaufdioden meistens in die Anschlussdosen auf der Rückseite des Moduls integriert. Bei einem Modul mit 6 × 10 Solarzellen werden beispielsweise je 20 Solarzellen mit einer Diode bei Verschattung überbrückt, sodass bei Teilverschattung nicht gleich das ganze Modul deaktiviert wird, sondern lediglich oder ; die Spannung des Moduls sinkt dann um den jeweiligen Faktor, abzüglich der Schwellenspannung(en) der dann leitenden Freilaufdiode(n). Im Extremfall ist jede einzelne Solarzelle mit einer separaten Freilaufdiode ausgestattet, was zu optimal verschattungsresistenten Solarmodulen führt.
Um bei Verschattungen die Spannungs- und damit die Leistungseinbußen des Solarmoduls möglichst gering zu halten, werden Dioden (z. B. Schottky-Dioden) mit einer möglichst niedrigen Schwellenspannung als Freilaufdioden eingesetzt.
Ein Schwachpunkt besteht darin, dass eine mangelhaft kontaktierte Freilaufdiode im Normalbetrieb nicht auffällt. Dies war die Ursache für den Brand der Photovoltaikanlage BürstadtBrandursache in Bürstadt waren mangelhafte Solar-Laminate von BP Solar. auf: photovoltaik-guide.de, 24. August 2009. In: Financial Times Deutschland. 3. Juli 2009. 2009.
Elektrische Leistung