Polykristalline Solarmodule waren jahrelang die beliebteste Technologie. Wir erklären die Funktionsweise, vergleichen sie mit monokristallinen Modulen und bewerten die Zukunftsaussichten.
Polykristalline Solarmodule haben über viele Jahre den Photovoltaikmarkt dominiert und waren die bevorzugte Wahl für Millionen von Solaranlagen weltweit. Auch wenn die monokristalline Technologie inzwischen den Markt erobert hat, lohnt sich ein genauer Blick auf die polykristalline Zelltechnologie, ihre Funktionsweise, ihre Vor- und Nachteile sowie ihre heutige und zukünftige Bedeutung.
Die Bezeichnung polykristallin bezieht sich auf die Kristallstruktur des verwendeten Siliziums. Während bei monokristallinen Zellen das Silizium aus einem einzigen, durchgehenden Kristall besteht, setzt sich polykristallines Silizium aus vielen kleinen Kristallen zusammen. Diese Struktur entsteht durch das einfachere und kostengünstigere Herstellungsverfahren, bei dem geschmolzenes Silizium in eine quadratische Form gegossen und langsam abgekühlt wird. Beim Erstarren bilden sich zahlreiche Kristallite, deren Grenzen als charakteristische Muster auf der bläulich schimmernden Zelloberfläche sichtbar sind.
Die Herstellung polykristalliner Solarzellen beginnt mit der Aufbereitung von Rohsilizium zu sogenanntem Solarsilizium. Dieses wird auf hohe Temperaturen erhitzt und in großen Tiegeln geschmolzen. Beim langsamen Abkühlen kristallisiert das Silizium in einer Block-Form aus, die anschließend in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, gesägt wird. Diese Wafer werden dann durch verschiedene chemische und physikalische Prozesse zu funktionsfähigen Solarzellen weiterverarbeitet, einschließlich der Dotierung zur Erzeugung des p-n-Übergangs, der für den photovoltaischen Effekt notwendig ist.
Der zentrale Vorteil der polykristallinen Technologie liegt in den geringeren Herstellungskosten. Das Gießverfahren ist deutlich einfacher und energieeffizienter als das Czochralski-Verfahren, das für die Herstellung monokristalliner Ingots verwendet wird. Es wird kein aufwendiger Ziehprozess benötigt, bei dem ein einzelner Kristall über viele Stunden aus der Schmelze gezogen werden muss. Zudem ist der Materialverlust beim Gießverfahren geringer, da die quadratische Form der polykristallinen Blöcke eine effizientere Nutzung der Modulfläche ermöglicht.
Auf der anderen Seite stehen die geringeren Wirkungsgrade polykristalliner Solarzellen im Vergleich zu monokristallinen Varianten. Die Korngrenzen zwischen den verschiedenen Kristalliten im polykristallinen Silizium wirken als Rekombinationszentren für die durch Licht erzeugten Ladungsträger. Dies bedeutet, dass ein Teil der durch Photonen freigesetzten Elektronen an diesen Grenzen verloren geht, bevor sie als elektrischer Strom genutzt werden können. Typische Wirkungsgrade polykristalliner Module lagen in der Spitze bei etwa 18 bis 20 Prozent, während moderne monokristalline Module Werte von über 22 Prozent erreichen.
Für den Anlagenbetreiber hat der niedrigere Wirkungsgrad praktische Konsequenzen. Bei gleicher verfügbarer Dachfläche erzeugt eine Anlage mit polykristallinen Modulen weniger Strom als eine vergleichbare Anlage mit monokristallinen Modulen. Dies kann insbesondere auf kleinen Dächern, wo der Platz begrenzt ist, ein entscheidender Nachteil sein. Auf großen Freiflächen, wo der Platz keine einschränkende Rolle spielt, war der Kostenvorteil der polykristallinen Module lange Zeit der ausschlaggebende Faktor.
Das Temperaturverhalten polykristalliner Module ist ein weiterer Aspekt, der bei der Bewertung berücksichtigt werden sollte. Alle Solarzellen verlieren an Leistung, wenn die Temperatur steigt. Der sogenannte Temperaturkoeffizient gibt an, wie stark die Leistung pro Grad Celsius Temperaturanstieg abnimmt. Polykristalline Module haben in der Regel einen etwas ungünstigeren Temperaturkoeffizienten als monokristalline Module, was bedeutet, dass sie bei hohen Temperaturen relativ etwas mehr Leistung verlieren.
In Bezug auf die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit unterscheiden sich polykristalline und monokristalline Module kaum. Beide Technologien haben in der Praxis bewiesen, dass sie Lebensdauern von 25 Jahren und mehr erreichen können, wobei die jährliche Degradation typischerweise bei 0,3 bis 0,5 Prozent liegt. Die Herstellergarantien sind für beide Technologien vergleichbar und umfassen in der Regel eine Produktgarantie von 10 bis 15 Jahren und eine Leistungsgarantie von 25 bis 30 Jahren.
Die Marktentwicklung der vergangenen Jahre zeigt einen klaren Trend weg von polykristallinen hin zu monokristallinen Modulen. Während polykristalline Module noch vor wenigen Jahren einen Marktanteil von über 50 Prozent hatten, ist dieser Anteil drastisch gesunken. Der Hauptgrund für diese Verschiebung liegt darin, dass die Kostendifferenz zwischen beiden Technologien immer kleiner geworden ist, während der Wirkungsgradunterschied bestehen blieb oder sich sogar vergrößerte. Für die meisten Anwendungen bieten monokristalline Module heute das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis.
Hinzu kommt die rasante Entwicklung neuer Zelltechnologien wie PERC, TOPCon und Heterojunction, die primär auf monokristallinem Silizium basieren. Diese fortschrittlichen Zellarchitekturen ermöglichen deutlich höhere Wirkungsgrade und haben die technologische Kluft zwischen polykristallinen und monokristallinen Modulen weiter vergrößert. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der großen Modulhersteller konzentrieren sich fast ausschließlich auf monokristalline Technologien.
Für bestehende Anlagen mit polykristallinen Modulen besteht jedoch kein Grund zur Sorge. Die Module arbeiten zuverlässig und liefern über viele Jahre konstant Strom. Ein vorzeitiger Austausch funktionierender polykristalliner Module durch monokristalline ist aus wirtschaftlicher Sicht in den meisten Fällen nicht sinnvoll. Erst wenn Module aufgrund von Defekten oder starker Degradation ersetzt werden müssen, ist der Umstieg auf die neuere Technologie empfehlenswert.
Im Bereich der Recycling-Wirtschaft gewinnt das Thema polykristalline Module zunehmend an Bedeutung. Da viele der in den Boomjahren der polykristallinen Technologie installierten Anlagen in den kommenden Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreichen werden, wächst der Bedarf an effizienten Recyclingverfahren. Das in den Modulen enthaltene Silizium, Glas und Aluminium kann zu großen Teilen wiederverwertet werden, was sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich sinnvoll ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass polykristalline Solarmodule eine wichtige Rolle in der Geschichte der Photovoltaik gespielt haben und den Weg für die Massenverbreitung der Solartechnologie geebnet haben. Auch wenn sie im Neubaumarkt weitgehend von monokristallinen Modulen abgelöst wurden, verdienen sie Anerkennung als robuste und bewährte Technologie, die Millionen von Haushalten und Unternehmen weltweit mit sauberem Strom versorgt.