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Bifaziale Solaranlagen: Technik, Ertrag und Anbieter im Überblick

Wie funktioniert eine bifaciale Solarzelle? Welche Vorteile hat sie? Welcher Hersteller bietet Bifacial-Zellen- und Module an?

Bifaciale Solarzellen sind „zweiseitige“ Zellen, die das einfallende Licht nicht nur über die Vorder-, sondern auch über die Rückseite nutzen können. Eine zweite Glasscheibe auf der hinteren Modulseite sorgt dafür, dass indirektes Licht durch reflektierte Sonnenstrahlen von hinten an die Zellen gelangt. So erzielt das Modul einen höheren Wirkungsgrad. Vom Prinzip her sind bifaziale Photovoltaik-Module nichts anderes als PV-Module, deren vollflächiger Rückkontakt durch einen Fingerprint-Kontakt ersetzt wurde. Dies macht Sinn bei z. B. Flachdachanlagen, um die Dachreflektion zu nutzen. Sie machen auch ganz neue Anwendungen wie z. B. eine vertikale Aufstellung in der Agrophotovoltaik möglichen. Der Ertrag bifazialer Solarmodule ist jedoch nicht doppelt so hoch, sondern systembedingt um rund 15% höher als normale Module.

  • Durch die beidseitige Stromerzeugung sind bifaciale Solarzellen ideal für Flachdächer und Freiflächenanlagen, bei denen Licht vom Boden reflektiert wird. Wie viel Licht über die Rückseite aufgenommen wird, hängt vom Untergrund ab. Bei einem weißen Boden und einer optimalen Aufständerung der bifacialen Module sind bis zu 15 Prozent Mehrertrag möglich.
  • Bifaziale Module sind prädestiniert für den Einsatz in z. B. Carports, Lärmschutzwänden, Floating-PV-Anlagen und in vertikalen PV-Installationen u.a. in der Landwirtschaft. Da man bei vertikal installierten Anlagen die Fläche weiterhin landwirtschaftlich nutzen kann, erhöht dies auch die Akzeptanz photovoltaischer Ackerlandnutzung.
  • Neben dem höheren Ertrag trägt auch die lange Haltbarkeit dazu bei, dass Solarstromanlagen auf Basis bifacialer Solarzellen wirtschaftlicher sind: Die Zellen sind durch die Einbettung in einen Glasverbund optimal gegen Umwelt- und mechanische Einflüsse geschützt und halten deshalb länger.
  • Wechselrichter müssen in der Leistung angepasst werden, da mehr Licht auf die Zellen fällt als in monofazialen Modulen. Daher ist der Strom am optimalen Arbeitspunkt höher. Daher sollte auch bei der Wechselrichter-Dimensionierung die  höhere Modulleistung berücksichtigt werden (90 bis 95 % der bifazialen Modulleistung).
  • Ob sich eine monofaziale oder bifaziale Technik lohnt, hängt letztlich von den lokalen Verhältnissen (Bodenpreisen, verfügbare Fläche, Finanzierungskonditionen, Eigenbedarf, Windlastzone et.) ab. Der durch das Rückstrahlvermögen der Umgebung auf derselben Modulfläche erzielbare Mehrertrag übersteigt jedoch bei gleichbleibenden Installations- und Unterkonstruktionskosten in prädestinierten Anwendungen in der Regel ihre Mehrkosten.

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In den sonnigen Gebieten dieser Welt haben sich bereits Photovoltaikkraftwerke mit bifazialen Modulen etabliert. Immer mehr Hersteller setzen jetzt auf diese Technik, sodass wie bei monofazialen Modulen die Kosten pro kWp weiter sinken. Es ist daher anzunehmen, dass die Bifazial-Technik zukünftig einen bedeutenden Stellenwert im Solarmarkt einnehmen wird. Doch trotz höherer Erträge können die Kosten für z. B. eine nachträgliche Anlagenoptimierung die Wirtschaftlichkeit auch verschlechtern. Daher sollten immer alle Einflussfaktoren eines Anlagendesigns berücksichtigt werden.

Technische Besonderheiten und Ertragsfaktoren "zweigesichtiger" Solarzellen

Der Begriff "bifacial" stammt aus dem Englischen und greift das Wort Face für zu deutsch Gesicht auf. Das Präfix bi stammt aus dem Lateinischen und steht für die Zahl 2. Eingedeutscht wird in verschiedenen Texten auch von bifazialen Zellen gesprochen. Diese Begrifflichkeit ist geläufig in der Botanik als Bezeichnung für ein Blatt, das eine Ober- und Unterseite besitzt. Daher spricht man bei bifazialen Zellen auch von zweiseitigen Solarzellen.

Zell- und Modulherstellung

Bifaziale Solarzellen sind jedoch teurer in der Produktion, da für die Zellherstellung zusätzliche Produktionsschritte notwendig werden: Die Bifacial-Zelle muss sowohl auf der Rückseite poliert und passiviert werden als auch anschließend erneut geöffnet werden, um eine Kontaktierung zu ermöglichen. Diese Produktionsschritte können jedoch auch auf bestehenden Anlagen durch Umrüstung implementiert werden. Eine entsprechende Lösung zur Produktion von bifacialen Zellen bietet z. B. die Singulus Technologies AG an.

Ob sich die entstehenden Mehrkosten durch die höhere Leistung und damit höhere Stromerträge aufgewogen werden, hängt hängt davon ab, ob die Zelle auf der Rückseite genauso gut veredelt ist wie auf der Vorderseite. Zudem ist entscheidend, aus welchem Material die Rückwand des bifazialen Moduls gefertigt ist. Viele Hersteller setzen hierzu auf Glas. Andere wiederum nutzen eine weiße Folie, die das Modul von hinten verschließt. Das Licht wird dann in den Zellzwischenräumen aufgefangen, welches dann auf der weißen Rückseitenfolie reflektiert wird und somit auf die Unterseite der bifazialen Zelle wieder gelangt. So wird ein Teil des Lichts wiedergewonnen, welches durch diese ungenutzt hindurch geht, ohne den Photoeffekt auszulösen.

Abschätzung des Mehrertrags

Laut einer Ertrags-Simulation des Fraunhofer ISE von realen PV-Anlagen mit bifazialen Solarmodulen sind in Deutschland unter „normalen“ Bedingungen im Vergleich zu Anlagen mit monofazialen Modulen Mehrerträge zwischen 5 und 15 Prozent möglich.

Bifaziale PV-Anlagen mit Trackern kommen je nach Aufstellungshöhe auf Mehrerträge zwischen acht und elf Prozent. Hinzu kommen bei einachsig getrackten Anlagen noch Steigerungen des Vorderseitenertrags. Der bifaziale Gewinn steigt allein durch Tracker jedoch nicht.

Der bifaziale Mehrertrag ist jedoch keine immanente Moduleigenschaft, sondern hängt im Wesentlichen vom Anlagen- und Systemdesign insbesondere dem Reihen- und Bodenabstand, Anstellwinkel und dem Rückstrahlvermögen des Bodens (Albedo) ab. Daher ist vor einer Entscheidung für oder gegen bifaziale Module gerade bei größeren Anlagen eine professionelle Ertragssimulation wie vom Fraunhofer ISE sinnvoll.

Ertragsvergleich von bifazialen und monofazialen PV-Systemen (Grafik: Fraunhofer ISE)
Ertragsvergleich von bifazialen und monofazialen PV-Systemen (Grafik: Fraunhofer ISE)

Vorder- und Rückseitenertrag

Der Vorderseitenertrag eines bifazialen Moduls ist etwas geringer als der eines sonst baugleichen monofazialen Moduls. Das liegt an der weißen Rückseitenfolie des monofazialen Moduls. Interne Reflexionen führen zu geringen Watt Zusatzerträgen, die bei transparenten bifazialen Modulen entfallen.

Der Ertrag durch die rückwärtige Einstrahlung ist von den Systemeigenschaften wie dem Abstand der Module vom Boden, dem Reihenabstand, dem Anstellwinkel, der Albedo des Bodens (Die Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden, nicht selbst leuchtenden Oberflächen.) abhängig.

Der Rückseitenertrag steigt bei steilerem Anstellwinkel des Modules. Da der Vorderseitenertrag bei Aufständerung über 30 Grad wieder abnimmt, ergibt sich ein gemeinsames Optimum, das etwas steiler ist als bei einseitigen, monofazialen Modulen.

Wählt man einen höheren Reihenabstand, so steigt die nutzbare Einstrahlung, da sich das Verhältnis von beschatteter und beleuchteter Fläche verbessert. Auch kann ein größerer Bodenabstand den Lichteintrag und damit den bifazialen Modulertrag steigern.

Wenn bifaziale Module eines Strings unterschiedlich starker Einstrahlung ausgesetzt sind, kann dies u.U. zu Mismatchverlusten führen. Mismatchverluste auf der Rückseite vermindern jedoch nur den bifazialen Zugewinn und wirken sich nicht auf den Vorderseitenertrag aus. Um diese Verluste zu reduzieren, könnten speziell angepasste Wechselrichter helfen. Aus Kostensicht kann es sich jedoch eher lohnen, die Mismatchverluste durch eine optimierte Aufstellung der bifazialen Module zu kompensieren.

In dieser Hinsicht finden sich optimale Anwendungsgebiete bifazialer Module aufgrund des Reihen- und Bodenabstandes in Agro-Photovoltaikanlagen, in schwimmenden Anlagen, die von Reflexionen der Wasseroberfläche profitieren und aus ebensolchen Gründen in Solaranlagen in schneereichen Gebieten.

Was bedeutet „Bifazialität“? Der Begriff „Bifazialität“ beschreibt das Verhältnis der Stromerzeugungsqualität der Rückseite im Vergleich zur Vorderseite. Bifaziale Module haben heutzutage normalerweise eine Bifazialität zwischen 70 und 95 Prozent. Eine Bifazialität von 95 Prozent bedeutet beispielsweise, dass bei gleichen Bedingungen die Rückseite nur 95 Prozent der Vorderseitenleistung generiert.

Besonderheiten einer vertikalen Installation von Bifazialmodulen

Bifaziale Module eröffnen aufgrund ihres zusätzlichen Rückseitenertrages neue Installations- und Anwendungsmöglichkeiten. Die wohl interessanteste Betriebsweise ist die vertikale (Ost-West-)Modulausrichtung. Sie vermeidet Schnee auf den Modulflächen und soll zudem geringere Verluste durch Verschmutzung aufweisen.

Durch die vertikale Aufständerung verändert sich die Ertragscharakteristik weg von einem „globalen“ Ertragsmaximum zur Mittagszeit hin zu zwei „lokalen“ Maxima am Vor- und am Nachmittag. Die Solarstromproduktion bleibt hingegen über Mittag trotzdem vergleichsweise hoch.

Aus diesem etwas veränderten Erzeugungsverlauf ergeben sich außerhalb einer EEG-Vermarktung Potenziale zur Ausnutzung höherer Börsenstrompreise am Spotmarkt bzw. zur Reduzierung des Risikos der Absenkung des Mittags-Peakpreises.

Da die vertikale Aufständerung von Modulen zur Vermeidung der Selbstverschattung einen höheren Reihenabstand und somit einen größeren Flächenbedarf bedingen, schafft dies jedoch wiederum die Möglichkeit, zwischen den Modulreihen entsprechend spezialisierte Ackerfrüchte anzubauen.

Dies wiederum verschafft dem Landwirt die Möglichkeit, neue Anbaumethoden zu erschließen, so die Ertragsgrundlage zu diversifizieren und dadurch evtl. Hedgingpotenziale auszunutzen.

Letztlich bietet die vertikale Nutzung bifazialer Module wie die Agrophotovoltaik an sich die Möglichkeit, die Akzeptanz der Nutzung von Ackerland zur Solarstromproduktion (z. B. im Osten Deutschlands mit überwiegend großen, zusammenhängenden Flächen) zu erhöhen, da die Modulbewirtschaftung die landwirtschaftliche Nutzung nicht ausschließt, sondern lediglich ergänzt.

Kosten und Erlös-Charakteristika

Der Mehrertrag eröffnet bei knappem Platzangebot die Möglichkeit, weniger bifaziale Module installieren zu müssen, um denselben spezifischen Ertrag mit weniger Modulen zu erzielen. Dies wiederum senkt die die Installations-, Unterkonstruktions- (BoS) und z. B. Pachtkosten.

Mit einem höheren Ertrag gehen jedoch auch höhere Modulkosten einher, da die globalen Produktionskapazitäten eher auf monofaziale Module ausgelegt sind. Bei einer vertikalen Aufstellung resultieren etwa rund 10 bis 20 Prozent höhere spezifische Investitionskosten sowie in etwa doppelt so hohe spezifische Pachtkosten aufgrund des höheren Flächenbedarfs.

Demgegenüber stehen die erhöhten Erträge von 5 bis 15 Prozent sowie die höheren Erlöse durch einen eigenen Stromverkauf zu Zeiten höherer Börsenstrompreise. Zudem ist durch die Verwendung von Glas-Glas-Modulen von einer höheren Lebensdauer auszugehen.

Bifaziale Solarmodul-Hersteller & -Modelle im Marktüberblick

Solarworld Bisun-Modul mit bifacialen PERC-Zellen

Solarworld bietet mit dem Sunmodule Bisun ein Modul mit bifacialen Zellen an, das 25 Prozent mehr Ertrag erbringen soll. Das Sunmodule Bisun besteht aus 60 bifacialen Zellen, die eine Weiterentwicklung der PERC-Hochleistungszelle von SolarWorld darstellen.

Das Sunmodule Bisun hat eine garantierte Lebensdauer von mindestens 30 Jahren. Durch die längere Laufzeit und den höheren Ertrag sollen sich laut Solarworld die Stromgestehungskosten pro Kilowattstunde signifikant reduzieren.

Bisun-Doppelglasmodul mit 60 bifacialen PERC-Zellen (Foto: SolarWorld)
Bisun-Doppelglasmodul mit 60 bifacialen PERC-Zellen (Foto: SolarWorld)

HT-SAAE „Milky Way" N-Type PERT Bifacial-Modul

HT-SAAE (Shanghai Aerospace Automobile Electromechanical Co., Ltd.) bietet das „Milky Way" N-Type PERT Solarmodul an. Ausgestattet mit bifacialen monokristallinen Siliziumzellen konnte in einem vom TÜV Rheinland durchgeführten Test eine Rekordleistung von 345,7 Wp erreicht werden.

HT-SAAE plant, die bifaciale „Milky Way" Modultechnik in 2015 weltweit einzuführen. 

„Milky Way" N-Type PERT Bifacial-Modul (Foto: HT-SAAE)
„Milky Way" N-Type PERT Bifacial-Modul (Foto: HT-SAAE)

SI-Enduro Doppelglas-Modul von SI Module

Die Doppelglas-Module der Serie SI-Enduro des Solarherstellers SI Module GmbH in Freiburg bieten ausgestattet mit bifacialen Zellen eine Leistung von bis zu 270 Wattpeak (Wp). Mit dem Aufbau aus 2 x 2 mm Floatglas erfüllen die Doppelglas-Module die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung und erfüllen damit auch die hohen Anforderungen für den Überkopfbereich, Absturzsicherungen und Fassaden.

Die beidseitig aktiven Biface-Solarzellen bringen zusätzlich elektrischen Ertrag durch die Nutzung des direkt und indirekt nutzbaren diffusen Sonnenlichts: Ein Mehrertrag von über 20% wurde in verschiedenen Testanlagen nachgewiesen.

Transparentes SI-Enduro-Doppelglas-Modul (Foto: SI Module GmbH)
Transparentes SI-Enduro-Doppelglas-Modul (Foto: SI Module GmbH)

Bifacial-Modul LG NeON 2 BiFacial von LG Electronics

Das LG NeON 2 BiFacial basiert auf dem bekannten Modul LG NeON 2. Zentrale Neuerung ist die lichtdurchlässige Folie auf der Rückseite, durch die bei viel Lichteinfall weitere 75 Wp hinzu kommen. Damit erzielt ein einzelnes LG NeON 2 BiFacial Modul unter optimalen Bedingungen auf einer Fläche von 1640 x 1000 Millimetern eine effektive Gesamtleistung von bis zu 375 Wp.

Der silberne Rahmen aus eloxiertem Aluminium erhöht einerseits die Stabilität der Baugruppe und reflektiert zudem einfallendes Licht, das nun zusätzlich von den Zellen in Strom umgewandelt werden kann. Dank der verwendeten transparenten Folie sind sie mit einem Gewicht von lediglich 17 Kilogramm um bis zu 20 Prozent leichter als bislang handelsübliche bifaziale Doppelglasmodule. Neben zwölf Jahren Produktgarantie bieten die LG NeON 2 BiFacial Module eine erweiterte Leistungsgarantie. Die jährliche Degradation wurde von maximal -0,7 Prozent jährlich auf -0,6 Prozent gesenkt und gilt für 25 Jahre.

LG NeON 2 BiFacial (Foto: LG Electronics / LEWIS – Global Communications)
LG NeON 2 BiFacial (Foto: LG Electronics / LEWIS – Global Communications)

Sunpreme GxB310 Bifacial-Modul

Sunpreme aus Sunnyvale in Kalifornien bietet nach eigenen Angaben die weltweit leistungsstärksten Bifazial-Module an, die bei Standardtestbedingungen Solarstrom im Umfang von 310 bis 500 Watt produzieren. Die GxB310-Doppelglasmodule sind mit 60 Zellen ausgestattet, erreichen einen Wirkungsgrad von 21,5 % und wurden für eine hohe Zuverlässigkeit optimiert. Denn dank ihrer rahmenlosen Konstruktion ist keine Erdung erforderlich, der Temperaturkoeffizient beträgt -0,28 %/C und das Schwachlichtverhalten ist sehr gut.

PV-Anlage mit Sunpreme Bifacial-PV-Modulen auf dem Flachdach der Jacobs Hall an der University of California (Foto: Sunpreme, Inc. / PRNews)
PV-Anlage mit Sunpreme Bifacial-PV-Modulen auf dem Flachdach der Jacobs Hall an der University of California (Foto: Sunpreme, Inc. / PRNews)

Bifaciales PERC-Modul "DUOMAX Twin" von Trina Solar

Trina Solar Limited hat im Mai 2017 sein bifaciales DUOMAX Twin Modul vorgestellt. Es besteht aus bifacialen PERC-Solarzellen in Doppelglasbauweise. DUOMAX Twin erzeugt Solarenergie sowohl auf der Front-, als auch auf der Rückseite des Solarmoduls und bringt auch unter Schwachlichtbedingungen hohe Leistung. Die Frontseite erhält direktes Sonnenlicht, während die Rückseite reflektiertes Licht und Streulicht aufnimmt.

Das DUOMAX Twin besitzt eine höhere Energiedichte und Ausgangsleistung, während die Systemkosten mit denen von Standardmodulen vergleichbar sind. Die bifacialen Module eignen sich für zahlreiche Montage-Varianten: Sie sind ideal für aufgeständerte Boden- oder Dachmontage, Anlagen in Wüsten oder schneereichen Gegenden sowie für den Einsatz über Wasserflächen.

Das bifaciale DUOMAX Twin Modul vereint die bifaciale PERC-Zelltechnologie mit der DUOMAX Doppelglasbauweise. (Foto: Trina Solar)
Das bifaciale DUOMAX Twin Modul vereint die bifaciale PERC-Zelltechnologie mit der DUOMAX Doppelglasbauweise. (Foto: Trina Solar)

Weitere Hersteller bifacialer, kristalliner Silizium-Zellen sind Sanyo / Panasonic, Bosch Solar und die Solarfabrik. Zu den bekanntesten Dünnschichtherstellern bifazialer Modulzellen zählte Solyndra.

Ausblick und Zukunftspotenzial von bifazialen Zellen

Neben der reinen Ertragssteigerung - allgemein soll sich die Stromproduktion um zwei bis drei Prozent erhöhen - spricht auch der Umstand für die Bifazialzelle, dass sie eine verhältnismäßig kleine Fläche benötigt, um die Leistung des Solarmoduls zu steigern und, dass sie ganz neue Anwendungsfälle für die Photovoltaik erschließt, in denen normale Zellen bzw. Module nicht effizient einsetzbar wären.

Ihren Marktdurchbruch hat die Bifazial-Technologie allerdings noch nicht erreicht. Die aktuelle Ausweitung - zunächst jedoch in Kleinserienfertigung - des Produktportfolios bekannter Hersteller lässt jedoch vermuten, dass das Potenzial bifacialer Solarzellen durchaus unterschätzt wurde und weitere Hersteller diese Sonderzellen in ihr Produktprogramm aufnehmen.

Mittelfristig geht man daher davon aus, dass sich die bifazialen Modulpreise denen herkömmlicher Solarmodule angleichen, da der Herstellungsprozess ähnlich ist. Aufgrund einer höheren Produktionsmenge würden sich dann auch Skaleneffekte kostensenkend auswirken.

Zudem kommt zum Tragen, dass die Leistungssteigerungen bisher hauptsächlich unter Laborbedingungen gemessen wurden. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich unter freiem Himmel der Effekt der stromerzeugenden Rückseite deutlich höher auswirken wird.

Daher ist es auch nachvollziehbar, dass bislang jeder Hersteller unterschiedliche Angaben zum Bifacial-Ertrag macht. Lediglich dem Energy Research Center of the Netherlands liegen belastbare Labor- als auch Freilandmessungen vor. Aus diesem Grund entwickelt auch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) aktuell Programme zur Simulation der Einstrahlung auf der Rückseite der bifazialen Solarzelle, da "normale" Programme dies nicht abbilden können.

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"Technik, Anwendung & Kosten bifazialer Solarmodule" wurde am 11.05.2019 das letzte Mal aktualisiert.