Bifaziale Solarmodule bieten eine vielversprechende Technologie, die in der Solarindustrie immer mehr an Bedeutung gewinnt. In diesem Ratgeber werden wir uns näher mit den Vorteilen, dem Aufbau und der Funktionsweise der zweiseitigen Solarzellen befassen.
Wichtige Fakten zu Bifazialen Modulen:
Bifaziale Solarmodule können auch mit der Modulrückseite Solarstrom erzeugen.
Der bifaziale Mehrertrag hängt vor allem von den Installationsbedingungen ab.
Herkömmliche Ziegeldächer sind nicht gut für bifaciale Module geeignet, verschiedene Überdachungen, PV-Zäune oder Freiflächen sind dafür zweckmäßig.
Die Kosten von bifazialen Modulen haben sich mittlerweile stark verringert und sind nur minimal teurer als monofaziale Module.
Was sind bifacial Solarmodule?
Bifacial Solarmodule bestehen aus zweiseitigen Solarzellen, die sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite elektrische Energie aus direkter oder indirekter Sonnenstrahlung gewinnen.
Das steckt auch schon im Namen: der Begriff "bifacial" bzw. "bifazial" stammt aus dem Lateinischen und bedeutet wörtlich "zwei Seiten". Bifazial setzt sich aus den Wörtern "bi" (zwei) und "facies" (Seite) zusammen.
In herkömmlichen PV-Modulen stecken monofaziale (einseitige) Solarzellen, welche nur auf der Vorderseite lichtempfindlich sind. Dagegen läuft bei der bifazialen Solarzellen der photovoltaische Effekt doppelseitig ab.
Bei einer gewöhnlichen Montage eines bifazialen Moduls ist die Vorderseite in Richtung des Horizonts ausgerichtet, um direkte Sonnenstrahlung aufzunehmen. Die Rückseite des Moduls erreicht hauptsächlich diffuses bzw. reflektiertes Licht.
Wie ist ein bifaziales Modul aufgebaut?
Im Gegensatz zu einem monofazialen Modul weist ein bifaziales Modul eine modifizierte Solarzelle auf, die auf beiden Seiten mit Kontaktfingern bedruckt ist, anstatt auf der Rückseite eine durchgehende Aluminiumfläche aufzuweisen.
Damit der Elektronenfluss auch auf der Rückseite funktioniert, wird eine transparente Polymer-Rückseitenfolie oder eine zweite Solarglasschicht eingesetzt.
Die bifaziale Solarzelle wird deshalb meistens im Glas-Glas-Modul verwendet.
Schaubild: Bifaziale Solarzelle
© Sebastian Gloger – Universität Konstanz
Welchen Mehrertrag bringen bifaziale Module?
Bifaziale Solarpanels können an geeigneten Standorten einen Mehrertrag von 5 bis zu 30 Prozent im Vergleich zu monofazialen Solarmodulen erzielen. Die tatsächliche Höhe des Leistungszuwachses hängt jedoch von den jeweiligen Installationsbedingungen ab.
Die Effizienz der Rückseite einer bifazialen Solarzelle liegt bei 60 bis 95 %, im Vergleich zur Frontseite.
Der Wirkungsgrad der Rückseite ist abhängig von der verwendeten Zellentechnologie. PERC-Zellen erreichen eine Bifazialität von etwa 60 bis 70 %. Solarzellen, basierend auf dem n-Type-Halbleiter (HJT, PERT, TOPcon), haben einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % gegenüber der Hauptseite.
Wie wird der Mehrertrag von bifazialen Modulen angegeben?
Die bifaziale PV-Leistungssteigerung, original: "Bifacial Gain" oder "Bifazialfaktor", ist der zusätzliche Energieertrag, den ein bifaziales Solarmodul im Vergleich zu einem monofazialen Modul gleicher Größe und Ausrichtung produzieren kann.
Im Datenblatt des bifazialen Moduls werden die Leistungsdaten meistens mit der "Solar Irradiation Ratio", als dem Verhältnis der solarer Einstrahlung von Vorder- zu Rückseite angegeben.
Manche Hersteller geben den bifazialen Mehrgewinn auch in verschiedenen Stufen an, z.B. 5, 10 und 20 Prozent.
Diagramm: Bifacial Gain
© angepasst – iea-pvps.org
Da es bisher noch keine vorgeschriebene Definition für den Bifacial Gain im Datenblatt gibt, wird die Vergleichbarkeit für den Endnutzer erschwert. Das soll sich laut TÜV Rheinland ändern und zukünftig, gemäß der Bifacial Standard Test Conditions (BSTC), mit einer Einstrahlung von 135 W/m² angegeben werden.
Doch der bifaziale Mehrgewinn im Testlabor sagt noch nicht viel über die Praxistauglichkeit aus.
Was beeinflusst den rückseitigen Mehrertrag eines bifazialen Moduls unter realen Bedingungen?
Der größte Einflussfaktor auf den Ertrag eines bifazialen Moduls ist das Rückstrahlvermögen des Untergrundes, welches in der Fachliteratur auch als "Albedo" bezeichnet wird.
Der Reflexionsgrad jeder Oberfläche ist unterschiedlich ausgeprägt. Generell gilt: je helle die Materie, desto höher auch die Albedo. Schnee und weiße Flächen bieten die höchste Albedo.
Die Reflektivität eines Materials ist nicht durchgängig konstant, sondern variiert je nach der spektralen Strahlungsverteilung und dem Einfallswinkel des Lichts. Das ist auch der Grund, weshalb die meisten Oberflächen am frühen Morgen und Abend besser reflektieren und zu diesen Tageszeiten einen leichten Mehrertrag liefern.
Weiterhin hat die Textur bzw. Oberflächenbeschaffenheit einen Einfluss auf das Rückstrahlvermögen: Eine unebene Oberfläche wirft Schatten auf sich selbst, was dazu führt, dass verglichen mit einer glatten Fläche weniger Sonnenlicht reflektiert wird.
Auch muss beachtet werden: Je größer der Abstand zum Untergrund, desto höher wird die Albedo ausfallen.
Schauen wir uns nun in der Tabelle den zu erwartenden bifazialen Mehrertrag verschiedener Oberflächen in Abhängigkeit der Distanz zum Untergrund an:
In den Klammern der verschiedenen Oberflächen ist die Albedo in Prozent angegeben, in den einzelnen Zellen steht der prozentuale Bifacial Gain. Die Daten stammen aus einem Whitepaper von Solarworld und wurden in der Praxis getestet, deshalb haben sie eine hohe Aussagekraft.
Es ist zu erkennen, dass weißer Kies und weiße Metallschindeln das höchste Rückstrahlvermögen aufweisen und somit zum größten Ertragswachstum führen. Der bifaziale Mehrertrag steigt mit zunehmendem Abstand zum Untergrund.
Erfahrungen mit Bifacial Modulen an verschiedenen Installationsorten
Es gibt viele Feldversuche und Studien zu verschiedenen Installationsorten von bifazialen Solarmodulen. Hier sind die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst:
- Die Installation von bifacial Modulen auf Schrägdächern mit Ziegeleindeckung liefert keinen nennenswerten Mehrertrag, weil der Abstand zum Dach sehr gering ist und nur wenig reflektiertes Licht zur Rückseite gelangt.
- Freiflächenanlagen werden mithilfe eines Montagesystems mit großem Abstand zum Untergrund installiert. Somit können sie von der erhöhten Albedo und der damit verbunden Leistungssteigerung von bifacial Modulen profitieren. Tracking-Systeme erhöhen die Ausbeute im Vergleich zu starren Systemen zusätzlich.
- Photovoltaik auf dem Flachdach kann einen guten Mehrertrag aufgrund der Bifaziltät erzielen, wenn eine helle Dacheindeckung, wie z.B. weiße Folie verwendet wird. Dachpappe (Bitumen) hat aufgrund der niedrigen Albedo dagegen kaum einen ertragssteigernden Einfluss.
- Die Installation als Parkplatzüberdachung, Carport, Solarterrasse, Agri-PV oder einer anderen Überdachung ist gut für bifaziale Module geeignet und bieten zudem eine gute Ästhetik.
- PV-Fassaden sind eher ungeeignet, wenn Sie flach an der Hauswand installiert sind. Wird jedoch ein Montagesystem mit Anstellwinkel eingesetzt, gibt es auch hier einen kleinen Zugewinn durch die photoelektrische Rückseite.
- Der optimale Anwendungsort für bifaziale PV-Module ist ein Solarzaun (PV-Zaun), welcher eine Ost-West-Ausrichtung hat. Beim Prinzip der vertikalen Photovoltaik können beide Seiten des bifazialen Moduls optimal genutzt werden, gerade wenn der Sonnenstand am Morgen und Abend eher flach ist.
- Bei der schwimmenden Photovoltaik (Floating-PV) kann die hervorragende Lichtspiegelung vom Wasser durch Bifazilität genutzt werden.
Vor-und Nachteile von bifazialen Modulen
Der wesentliche Vorteil von bifazialen Modulen liegt am erhöhten Stromertrag, welcher sich aus dem Bifazilitätsfaktor ergibt. Das resultiert in einem besseren Wirkungsgrad pro Flächeneinheit.
Zudem ergeben sich mit bifacial Solarmodulen weitere Anwendungsmöglichkeiten wie z.B. die vertikale Photovoltaik, welche mit monofazialen Modulen nicht wirtschaftlich nutzbar wäre.
Der einzige Nachteil von bifazialen Solarpanels liegt in den höheren Anschaffungskosten.
Installation bifacialer Module auf Carport
© Marina Lohrbach– stock.adobe.com
Allerdings amortisieren sich diese bei einer geeigneten Anwendung recht schnell, deutlich vor dem Ende der Lebensdauer. Bei der Installation auf einem herkömmlichen Einfamilienhaus mit Schrägdach lohnen sich bifaziale Module finanziell eher nicht.
Wie viel kosten bifaziale Module?
Der durchschnittlich Spotpreis für bifaziale Solarmodule liegt bei 0,21 Euro (USD 0,225) pro Watt-Peak (Stand 03/2023). Die Kosten variieren je nach Anbieter und Güteklasse zwischen 0,2 und 0,35 Euro pro Wp. Ein herkömmliches bifaciales Solarmodul kostet aktuell etwa 120 € im Großhandel.
Im Vergleich zu monofazialen Modulen liegt der Preis nur etwa 2 % darüber. Zudem wird bei der Betrachtung der Kostenstruktur nur die bloße Nennleistung betrachtet, und der Bifacial Gain wird komplett außen vor gelassen.
Bei einer neutralen Betrachtung des Jahresstromertrags im Vergleich zu den Investitionskosten ist das bifaciale Modul, unter den richtigen Installationsbedingungen, sogar günstiger.
Fazit: Durch den rasanten Marktanteilgewinn der bifazialen Solarzelle sind die Preise mittlerweile konkurrenzfähig.
Welche Hersteller für Bifaciale Solarmodule gibt es?
Es gibt eine Vielzahl von Modulherstellern von bifazialen Solarzellen und Solarmodulen auf dem Markt. Die wichtigsten sind Suntech Power, LG, Luxor, Jolywood, JinkoSolar, Bauer Solar, Meyer Burger, Axitec, Solyco, Canadian Solar, JA Solar, Sharp, Trina Solar, Solar-Fabrik, Energetica und AxSun.
Marktüberblick: aktuelle bifaziale Module
In der folgenden Tabelle schauen wir uns aktuelle bifaziale Module und deren elektrische Eigenschaften an:
Noch mehr Vergleichsdaten von mono- und bifazialen Modellen, gibts im Solarpanel-Test.
Wie werden bifaziale PV-Module hergestellt?
Die Herstellung eines bifazialen Solarpanels ist ressourcenintensiv. Es werden im Vergleich zur monofazialen Zelle einige zusätzlich Fertigungsschritte benötigt.
Um die Rückseite nutzbar zu machen, muss diese, wie auch die Vorderseite, gereinigt und pyramidenartig strukturiert werden, damit mehr Sonnenlicht ins Innere der Solarzelle gelangen kann. Das passiert mithilfe eines Chemikalienbades, in welches der Silizium-Wafer eingetaucht wird.
Danach findet die Passivierung der Solarzelle auf der Rückseite statt, um diese vor Korrosion zu schützen. Zum Abschluss wird eine Antireflexionsschicht aufgetragen und mithilfe des Siebdruckverfahrens ein Aluminiumgitter aufgetragen, welches zum Transport der elektrischen Ladungen dient.
Gegenwärtig haben sich auf dem Markt sogenannte Halbzellenmodule durchgesetzt. Daher wird die fertige bifaziale Solarzelle mithilfe eines industriellen Lasers in zwei Hälften geteilt.
Mehrere bifaziele Halbzellen werden nun elektrisch kombiniert und in einer inneren Einbettungsschicht und einer äußeren Schutzschicht (meist Glas-Glas) eingekapselt und mit dem Aluminiumrahmen versehen. Fertig ist ein bifacial PV-Modul.
Wo kann ich bifacial Solarpanels kaufen?
Bifaciale Solarpanels sind in Online-Shops oder im Großhandel für PV-Komponenten erhältlich. Die meisten Anwender entscheiden sich allerdings für den Kauf einer kompletten Photovoltaikanlage (inkl. der bifazialen Module). So ein Komplettpakt beinhaltet immer auch die Montage, Anmeldung beim Netzbetreiber und die Inbetriebnahme.
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