Im Zuge der Planung einer Photovoltaikanlage, kommt früher oder später die Frage nach dem passenden PV-Modul auf. Interessenten haben die Wahl zwischen monokristallinen oder polykristallinen Solarmodulen. Doch welches ist technisch besser und lohnt sich im Jahr 2023 am besten?
Die wichtigsten Informationen zum Thema Monokristallin vs. Polykristalline auf einen Blick
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Monokristalline & Polykristalline Solarmodule im Vergleich
In den folgenden Tabellen lassen sich die wichtigsten Vorteile und Nachteile der beiden Zelltechnologien ablesen:
Vor- und Nachteile monokristalline Solarmodule
Vorteile Monokristallin | Nachteile Monokristallin |
|---|---|
Höchster Wirkungsgrad von Solarmodulen auf dem Markt bis zu 22,8 % | Hitzeempfindlichkeit: Monokristalline Module sind empfindlicher gegenüber Hitze als andere Arten von Solarmodulen |
Platzsparend: es wird weniger Fläche für gleiche Leistung benötigt. | Höhere Kosten: Die Herstellung von monokristallinen Siliziumwafern ist kostenintensiver |
Ästhetisch ansprechend: Monokristalline Module haben eine einheitliche, glatte, schwarze Farbe |
Vor- und Nachteile von polykristallinen Solarmodulen
Vorteile Polykristallin | Nachteile Polykristallin |
|---|---|
Günstiger Preis, da der Herstellungsprozess einfacher und Kosten einspart | Geringerer Wirkungsgrad, polykristalline Module leisten höchstens 19 % |
Sehr schnelle energetische Amortisation und ist daher umweltfreundlicher | Farbliche Uneinheitlichkeit, weniger ansehnlich |
Sehr geringer Leistungsverlust im Jahresverlauf |
Was ist der Unterschied zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen?
Monokristalline und polykristalline Solarmodule bestehen aus dem gleichen Ausgangsmaterial Silizium. Doch die Zellstruktur beider Technologien unterscheidet sich. Mit der folgenden Grafik kann der Unterschied leicht verstanden werden:
- Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen Einzellkristallen der gleichen Struktur, die aber in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind
- Monokristalline Solarzellen besten aus einem homogenen Kristallgitter
Zellenstruktur im Vergleich: Monokristallin und Polykristallin
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Welche Solarzellen sind effizienter: Monokristallin oder Polykristallin?
Monokristalline Solarzellen sind deutlich effizienter und haben einen höheren Wirkungsgrad (20 bis 22,8 %), als polykristalline Solarzellen.
Das liegt hauptsächlich an der mulitikristallinen Zellstruktur, welche Gitterfehler (Korngrenzen) mit sich bringt und dadurch die Bewegung der Elektronen behindert. Die Folge ist der niedrigere Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen bzw. Modulen.
Die monokristalline Solarzelle dagegen ist sehr homogen und es gibt im Vergleich weniger Defekte und Verunreinigungen, was zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führt. Außerdem führt die glatte und saubere Oberfläche zu weniger Lichtreflexion und damit zu einer höheren Ausbeute je Flächeneinheit.
Mehr zum Thema Wirkungsgrad von Solarmodulen hier.
Was ist besser bei Schwachlicht: polykristallin oder monokristallin?
Für das Thema Schwachlichtverhalten von PV-Modulen interessieren sich viele Menschen, wahrscheinlich weil viele Modulhersteller damit werben, in diesem Bereich besonders effizient zu sein.
Tatsächlich kann das Schwachlichtverhalten unter zwei Aspekten betrachtet werden:
- gewichtete Moduleffizienz (Normalized Power Output Efficiency): gibt an, wie das Schwachlichtverhalten prozentual im Vergleich zu dem Ergebnis des Standardtests ausfällt
- Modulwirkungsgrad bei unterschiedlichen Einstrahlungen
Es gibt nur wenige Studien zum Thema, aber ein Praxistest der University of Engineering and Technology in Taxilla fand heraus, dass polykristalline PV-Module unter Schwachlichtbediungungen (Lichteinstrahlung < 200 W/m²) prozentual minimal besser abschneiden als monokristalline Module. Allerdings dreht sich dieses Ergebnis oberhalb der Strahlungstärke von 300 W/m².
Aber noch viel wichtiger: da die Effizienz von monokristallinen Solarmodulen insgesamt deutlich höher ist, wird auch bei Schwachlicht mehr Energie pro m² produziert werden als von polykristallinen Solarmodulen, obwohl der Wirkungsgrad prozentual den höheren Verlust erleidet.
Wie unterscheiden sich monokristalline und polykristallinen Solarzellen im Aussehen?
Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch die einheitliche Farbgebung und Textur aus, die in der Regel dunkelblau bis schwarz ist. Die Form der monokristallinen Solarzellen ist rechteckig mit abgeschnittenen Ecken.
Polykristalline Solarzellen hingegen haben aufgrund der vielen Kristalle eine ungleichmäßige Textur und eine hellblau bis dunkelblaue Farbe.
Schaubild Solarpanel
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Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Kristalle bedingen eine erhöhte Anzahl von sichtbaren Kristallen. Die Form der polykristallinen Solarzellen ist entweder abgerundet oder rechteckig, aber völlig quadratisch.
Kosten von mono- und polykristallinen Solarmodulen
Die Kosten von monokristalline Solarmodulen liegen zwischen 190 und 400 Euro pro Kilowatt-Peak Leistung (auf dem Spotmarkt). Polykristalline PV-Module werden mit einem Preis von 150 bis 250 €/kWp angeboten.
Monokristalline Module sind also durchschnittlich teurer als polykristalline Produkte. Dafür bekommt man eine höhere Leistungsdichte mit monokristallinen Solarpanels, sodass mehr Gesamtleistung auf das Hausdach passt.
Verfügbarkeit polykristalliner und monokristalliner Solarpanels
Mittlerweile wird von den Herstellern für PV-Module fast ausschließlich auf das monokristalline Solarpanel gesetzt. Polykristalline Module werden zwar noch produziert, sind aber nicht mehr für den Privatgebrauch, z.B. für die Photovoltaikanlage auf dem Einfamilienhaus, verfügbar.
Die Ursache für die Verdrängung von polykristallinen PV-Modulen ist letztlich die Dominanz der monokristallinen Technologie, welche einfach leistungsstärker ist und mit der gereiften und verbesserten Produktionstechnik mittlerweile bestens für den Massenmarkt geeignet ist.
Umweltbilanz von Solarmodulen auf monokristalliner und polykristalliner Basis
Solarmodule gelten als umweltfreundlich, doch auch sie verbrauchen Rohstoffe und Energie bei der Herstellung und dem Transport. Sobald dieser Energieverbrauch wettgemacht wurde, spricht man von der energetischen Amortisation.
Beide Zelltechnologien erreichen die energetische Amortisierung relativ schnell. Tatsächlich ist das polykristalline Solarmodul bei der Herstellung effizienter und benötigt nur etwa 1,7 Jahre, wohingegen es beim monokristalline Solarmodul ca. 2,1 Jahre dauert.
Die Daten stammen aus einer Untersuchung des Bundesumweltministeriums.
Übrigens fielen die Umweltauswirkungen noch deutlich geringer aus, wenn die Module in Deutschland, anstatt wie üblich in China, produziert würden.
Monokristalline vs. Polykristalline Solarzellen: Welche sind langlebiger?
Generell ist die Lebensdauer von Solarmodulen, egal ob poly- oder monokristallin, sehr hoch und liegt bei über 30 Jahren. Es gibt auch Testanlagen mit Solarmodulen von 40 Jahren und mehr.
Solarmodule verlieren mit der Zeit an Leistung. Man nennt diesen Effekt auch Leistungsdegradation, welcher normalerweise recht linear abläuft. Die Höhe der jährlichen Leistungsminderung ist bei mono- und polykristalinen Modulen unterschiedlich hoch:
- polykristalline Solarmodule: 0,2 bis 0,3 % Leistungsverlust pro Jahr
- monokristalline Solarmodule: 0,3 bis 0,55 % Leistungsverlust pro Jahr
Interessant: das Fraunhofer-Institut hat in einer Studie eine mittlere Degradation von Photovoltaik-Modulen von nur 0,15 % festgestellt. Zudem bringen alle Solarpanels von Werk aus eine Leistungsgarantie, in der Regel zwischen 25 und 30 Jahren, mit.
Herstellung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen
Der Ausgangsstoff für die Herstellung von kristallinen Solarzellen, egal ob Poly- oder Monokristallin ist der Halbleiter Silizium (Si), welches das zweithäufigste Element der Welt ist.
Für die Herstellung von kristallisierten Solarzellen wird Silizium in der Regel aus Quarzsand gewonnen, der hauptsächlich aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht.
In einer mehrstufigen chemischen Reaktion unter hohen Temperaturen (2000 °C) im Lichtbogenofen wird das Siliziumdioxid zu Rohsilizium umgewandelt.
Danach wird das Rohsilizium weiter von Verunreinigungen, wie Aluminium, Eisen, Phosphor oder Bor, befreit bzw. raffiniert. Das entstanden hochreine Silizium wird für die Herstellung von Siliziumkristallen und -blöcken benötigt.
Hochreines Silizium
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Und ab diesem Punkt unterscheidet sich die Herstellung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen:
Für die Herstellung von monokristallinen Solarzellen benötigt es einen Einkristall aus Silizium. Das verwendete Verfahren nennt sich Czochralski-Verfahren.
Das Silizium wird zunächst in einer speziellen Schmelzwanne geschmolzen. Danach wird ein kleiner Silizium-Impfkristall in die flüssige Masse eingetaucht, stetig rotiert und sehr langsam wieder hinausgezogen (einige Millimeter pro Stunde). So wächst der Einkristall mit reiner Struktur und einheitlichen Farbe heran, welcher dann als Ingot bezeichnet wird.
Für die Herstellung von polykristallinen Solarzellen kommt das Blockgussverfahren zum Einsatz, wobei das verflüssigte Silizium in eine quadratische Form gegossen und kontrolliert abgekühlt wird. Es entsteht der Siliziumblock mit Multikristallen.
Aus den mono- oder polykristallinen Ingots wird nun der Wafer, eine hauchdünne Scheibe (0,18 bis 0,2 mm) herausgesägt. Die Materialstärke erscheint zwar sehr gering, ist aber deutlich dicker als beim Einsatz von Dünnschichtzellen (0,01 bis 0,1 mm). Daher spricht man bei Solarzellen auf kristalliner Siliziumbasis auch von der Dickschichttechnologie.
Schon gewusst?
Polykristalline Solarellen sind rechteckig, weil sie direkt aus passenden Siliziumblöcken zugesägt werden können.
Monokristalline Solarzellen haben die Form eines Oktagons (Achteck), weil sie aus einem runden Ingot gesägt werden und die quadratische Form sonst zu höheren Materialverlust führen würde.
Der Siliziumwafer muss weiter jetzt zur fertigen Solarzelle verarbeitet werden. Folgendermaßen läuft der Prozess ab:
- Antireflexionsbeschichtung auftragen
- Dotierungsschicht durch Diffusion oder Implantation erzeugen
- Elektroden aufbringen (Front- und Rückseite)
- Metallkontakte auftragen
- Thermische Behandlung durchführen (Sintern)
Die entstandene monokristalline oder polykristalline Solarzelle kann jetzt verwendet werden, um daraus ein PV-Modul zu machen. Das geschieht, indem zunächst mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden (um mehr Leistung zu erzielen) und dann anschließend in eine Schutzschicht (Verkapselung) eingebunden werden.
Fazit: Was ist besser, monokristallin oder polykristallin?
Polykristalline Solarmodule bieten einige Vorteile, wie eine geringere Leistungsdegradation und damit prozentual noch mehr Leistung nach 20 oder 30 Jahren. Dagegen fällt die Nennleistung von monokristallinen Solarzellen höher aus, auch aufgrund des besseren Wirkungsgrades.
Insgesamt überwiegen die Vorteile der monokristallinen Solarmodule gegenüber denen der polykristallinen Module. Für eine eigene Photovoltaikanlage sind im Jahr 2023 monokristalline Solarmodule empfehlenswert.
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