Letzte Aktualisierung: 25.11.2020

Einsatz von Dünnschicht-Solarmodulen in Photovoltaikanlagen

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Welche charakteristischen Besonderheiten weisen Dünnschichtmodule auf? Wann lohnt sich ihr Einsatz in einer PV-Anlage? Welche Vorteile und Nachteile hat die Dünnschichttechnik?

Dünnschichtmodule gehören zu den sogenannten amorphen Modularten. Sie sind meist kleiner als kristalline Module und haben eine homogene Oberfläche mit dunkelgrüner, bräunlicher oder schwarzer Färbung. Dünnschichtmodule sind aufgrund des Ressourceneinsatzes und einer automatisierten Herstellung günstig, weisen jedoch auch einen vergleichsweise niedrigen Modulwirkungsgrad auf.

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Technische Besonderheiten von Dünnschichtmodulen

Dünnschichtmodule bestehen aus amorphen Solarzellen. Sie sind gekennzeichnet durch ein einfaches Herstellungsverfahren, ein geringes Gewicht sowie flexible Verwendungsmöglichkeiten. Sie verfügen jedoch über den geringsten Wirkungsgrad unter den am Markt beziehbaren Solarmodulen und sind damit nicht so leistungsstark wie kristalline Module. Dafür sind sie wesentlich preiswerter. Dünnschichtmodule eignen sich daher besonders für den Einsatz auf großen und flachen Flächen. Sie können auch bei diffusen und schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden und sind wenig temperaturanfällig. Typisch für sie ist eine starke Anfangsdegradation, die jedoch von den Herstellern bei der Auszeichnung ihrer Leistungsstärke von vorherein mitberücksichtigt wird.

Vor- und Nachteile der Dünnschichttechnik im Vergleich
Vorteile Nachteile
Sehr preiswert Geringer Wirkungsgrad
Einfaches Herstellungsverfahren Starke Anfangsdegradation
Wenig Materialaufwand Schwierig in der Montage aufgrund des fehlenden Rahmens
Sehr leicht vom Gewicht Weniger stabil
Geeignet für den Einsatz bei diffusen und schwachen Lichtverhältnissen sowie für große Flächen Geringere Lebensdauer
Temperaturbeständig Hoher Flächenbedarf, um die gleiche Leistung wie kristalline Module zu erzielen
Wenig schmutzanfällig, da rahmenlos  

Herstellungsverfahren amorpher Dünnschicht-Module

Wesentlich für Dünnschichtmodule ist ihr vergleichsweise einfacher Herstellungsprozess. Sie werden durch das Aufdampfen oder Aufsprühen von Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial auf eine Trägerschicht, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff hergestellt. Sie sind dadurch wesentlich dünner und verfügen über ein geringeres Gewicht als kristalline Module. Ihre Dicke beträgt im Schnitt 2 µmm. Für ihre Herstellung wird zudem nur wenig Halbleitermaterial benötigt. Neben amorphen Silizium (a-Si) kommen auch andere Materialien wie beispielsweise

  • Cadmium-Tellurid (CdTe),
  • Gallium-Arsenid (GaAs),
  • Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder auch
  • Farbstoffe (Grätzelzelle, Farbstoffzelle)

infrage, die ebenfalls als dünne Schicht auf das Trägermaterial aufgetragen werden. Anschließend werden sie direkt verschaltet und mit einer weiteren Glasschicht abgedeckt.

Dünnschicht-Module auf CdTe-Basis enthalten Cadmium in Salzform, das sich bei dieser Technologie nicht substituieren lässt. Das metallische Cadmium sowie Cadmiumoxid werden als sehr giftig eingestuft, CdTe als gesundheitsschädlich. Es gibt alternative Dünnschicht-Technologien auf Basis von amorphem Silicium oder Kupfer-Indium-Selenid (CIS), die kein oder sehr wenig Cd enthalten. (Quelle: Fraunhofer ISE "Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland")

Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen im Vergleich

Aufgrund ihrer einfachen Herstellungsweise und geringem Ressourcenaufwand sind amorphe Module im Vergleich zu kristallinen Modulen sehr preiswert. Jedoch ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu diesen wesentlich geringer und damit auch der zu erzielende Stromertrag. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 6 und 10 Prozent. Die Leistung der Dünnschichtmodule ist damit vergleichsweise gering und liegt deutlich unter der von kristallinen Modulen. Pro Quadratmeter zur Verfügung stehender Modulfläche erzielen sie damit eine geringere Leistung, d.h. um die gleiche Leistung wie kristalline Module zu erzielen wird eine vergleichsweise große Fläche an Dünnschichtmodulen benötigt. Sie eignen sich daher insbesondere für den Einsatz auf großen Freiflächen.

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Temperatur- und Lichtverhalten amorpher Module

Zwar reagieren Dünnschicht-Module ebenfalls auf Temperaturveränderungen, jedoch weniger stark als kristalline Module. Sie können auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen einen konstanten Solarertrag erbringen. Ebenso reagieren sie wenig anfällig auf die Veränderung von Lichtverhältnissen und können auch bei schwachen oder diffusen Lichtverhältnissen die gleiche Leistung erbringen. Das ist ihr großer Vorteil im Vergleich zu den kristallinen Modulen, die ihre volle Leistungs- und Ertragskraft nur bei den für sie optimalen Bedingungen erzielen. Daher können Dünnschichtmodule auch auf Flächen installiert werden, die nicht direkt nach Süden hin ausgerichtet sind. Ebenso sind sie für PV-Installation auf Flachdächern geeignet bzw. für sehr große PV-Anlagen, auf denen sehr viele Module installiert werden können.

Montage und Wartung von Dünnschicht-Solarmodulen

Dünnschicht-Module sind im Vergleich zu kristallinen Modulen sehr leicht. Sie verfügen über eine geringe Dicke. Häufig werden sie ohne Rahmen hergestellt, was sich ebenfalls positiv auf ihr Gewicht auswirkt. Zugleich sind sie aufgrund des fehlenden Rahmens allerdings etwas komplexer in den Montageanforderungen und auch weniger stabil. Sie lassen sich jedoch aufgrund des fehlenden Rahmens jedoch einfacher reinigen. Die Verschmutzungserscheinungen von Dünnschichtmodulen sind geringer, da sich in den Kanten des Modulrahmens kein Schmutz ablagern kann. Das wiederum bringt Kosten-Vorteilebei der Wartung der Dünnschichtanlage.

Alterung und Degradation von Dünnschichtmodulen

Als Degradation wird der Prozess bezeichnet, der bei den Solarmodulen eine Leistungsminderung bewirkt. Die Degradation ist somit bei der Ermittlung der Leistungserträge von Solarmodulen mit zu berücksichtigen. Dabei sind drei Arten von Degradation zu unterscheiden: die Anfangsdegradation, die auch als lichtinduzierte Degradation bezeichnet wird, die potenzialinduzierte Degradation und die altersbedingte Degradation.

  • Gerade die lichtinduzierte Degradation tritt vor allem bei Dünnschicht-Solarmodulen auf. Dünnschichtmodul-Hersteller berechnen diese Anfangsdegradation bei der Angabe der Nennleistung der Module allerdings von vorherein mit ein.
  • Auch bei der altersbedingten Degradation sind Dünnschichtmodule anfälliger im Vergleich zu kristallinen Modulen. Demzufolge sind sie weniger alterungsbeständig und haben damit eine geringere Lebensdauer. Hersteller geben daher für sie kürzere Garantien.
  • Die potenzialinduzierte bzw. spannungsinduzierte Degradation tritt ebenso wie die lichtinduzierte Degradation nur einmalig auf, kann jedoch alle Modultypen gleichermaßen betreffen. Sie wird durch die Art der Installation hervorgerufen.

Zusammenfassung und Ausblick für Dünnschichtmodule

Dünnschichtmodule sind im Vergleich zu kristallinen Modulen weniger leistungsstark, haben eine geringere Lebensdauer und sind anfälliger gegenüber äußeren Umwelteinflüssen.

Ihre Vorzüge liegen jedoch in ihrem vergleichsweise geringem Gewicht, ihren flexiblen Einsatzmöglichkeiten, ihrer Eignung auch für flache, nicht nach Süden hin ausgerichtete Flächen, da sie auch bei diffusem oder schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden können sowie ihr geringe Temperaturanfälligkeit. Entscheidend für ihren Einsatz sind daher der Einsatzort sowie der Einsatzzweck, den sie erfüllen sollen.

Der Marktanteil von Dünnschichtmodulen ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. Mit einem weiteren Anstieg wird gerechnet, da beständig an der Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Module gearbeitet wird. Zudem sollen sie künftig auch für eine Vielzahl weiterer Einsatzzwecke genutzt werden.

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer flexiblen Gestaltungsmöglichkeit durch Einsatz unterschiedlichster Trägermaterialien eignet sich die Dünnschichttechnik so z. B. auch für die weitergehende Verwendung, beispielsweise in Kleidung und Taschen.

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