Solarpanel: Aufbau, Wirkungsweise und technische Grundlagen

Die Nutzung von Sonnenenergie hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem zentralen Pfeiler der nachhaltigen Energieversorgung entwickelt. Angesichts steigender Energiekosten, wachsender Umweltbelastung und technologischer Fortschritte rücken Solarpanels zunehmend in den Fokus von Eigenheimbesitzern, Unternehmen und politischen Entscheidungsträgern.

Doch was genau ist ein Solarpanel, wie funktioniert es, und welche unterschiedlichen Typen stehen zur Auswahl?

Der folgende Artikel liefert einen umfassenden Überblick über die Funktionsweise, Arten, Auswahlfaktoren, Montagearten sowie Standort- und Effizienzfaktoren moderner Solarmodule.

Was ist ein Solarpanel?

Ein Solarpanel, auch bekannt als Photovoltaikmodul oder Solarplatte, ist ein technisches Element, das Sonnenlicht unmittelbar in elektrische Energie umwandelt.

Dies geschieht durch den photovoltaischen Effekt in integrierten Solarzellen. Diese Zellen bestehen typischerweise aus dem Halbleitermaterial Silizium, das aufgrund seiner effizienten Lichtabsorption und Ladungsträgerbeweglichkeit bevorzugt eingesetzt wird.

Mehrere dieser Solarzellen werden elektrisch verbunden und mechanisch in einem Solarmodul gefasst, das die zentrale Funktionseinheit innerhalb einer Photovoltaikanlage bildet. Solarpaneele sind damit Schlüsselkomponenten einer PV-Anlage zur Stromerzeugung aus regenerativer Sonnenenergie.

Wie funktioniert ein Solarpanel?

Ein Solarpanel funktioniert, indem es Sonnenlicht mithilfe des photovoltaischen Effekts in elektrische Energie umwandelt.

Dieser physikalische Prozess basiert auf dem Verhalten von Solarzellen, die aus zwei unterschiedlich dotierten Siliziumschichten bestehen – einer positiv leitenden p-Schicht und einer negativ leitenden n-Schicht.

An der Grenzfläche dieser Schichten, dem sogenannten p-n-Übergang, bildet sich ein internes elektrisches Feld. Trifft Licht in Form von Photonen auf die Solarzelle, werden Elektronen aus ihren Bindungen gelöst und durch das elektrische Feld getrennt.

Die freigesetzten Elektronen wandern zur n-Schicht, während die verbleibenden positiven Ladungsträger, sogenannte Löcher, zur p-Schicht driften.

Dieser Ladungstransport erzeugt eine elektrische Spannung. Sobald ein Stromkreis durch Anschluss eines Verbrauchers geschlossen wird, fließt elektrischer Strom.

Die einzelnen Solarzellen sind in Reihe oder parallel geschaltet und in einem wettergeschützten Modul eingebettet, wodurch die elektrische Leistung des gesamten Solarpanels nutzbar gemacht wird.

Welche Arten von Solarpanels gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Solarpanels, die sich hinsichtlich Material, Wirkungsgrad, Einsatzbereich und technologischer Eigenschaften unterscheiden. Je nach Anforderung an Leistung, Kosten, Fläche oder Umweltbedingungen kommen unterschiedliche Modultechnologien zum Einsatz. Die folgenden Arten von Solarpanels lassen sich dabei klar voneinander abgrenzen.

• Monokristalline Solarpanels
• Polykristalline Solarpanels
• Dünnschicht Solarpanels
• Bifaziale Solarpanels
• PERC Solarpanels
• Glas Glas Solarpanels

1. Monokristalline Solarpanels: Monokristalline Solarpanels bestehen aus einem einzigen gezüchteten Siliziumkristall und zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad von bis zu vierundzwanzig Prozent aus. Sie sind besonders effizient auf begrenztem Raum, robust und langlebig, haben jedoch höhere Produktionskosten. Ihre charakteristische dunkelblaue bis schwarze Oberfläche verleiht ihnen ein homogenes Erscheinungsbild.
2. Polykristalline Solarpanels: Polykristalline Solarpanels werden durch das Gießen mehrerer Siliziumkristalle hergestellt, was die Herstellung günstiger macht. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa zwanzig Prozent. Diese Module sind zwar kosteneffizient, benötigen aber mehr Fläche für denselben Energieertrag. Sie weisen eine schimmernd blaue Farbstruktur auf.
3. Dünnschicht Solarpanels: Dünnschicht Solarpanels bestehen aus extrem dünnen Halbleiterschichten wie amorphem Silizium, Cadmium Tellurid oder Kupfer Indium Gallium Selenid. Trotz eines geringeren Wirkungsgrads von etwa zehn bis dreizehn Prozent bieten sie Vorteile in Form von Flexibilität, geringem Gewicht und niedrigen Produktionskosten. Sie sind besonders geeignet für große Flächen, diffuse Lichtverhältnisse und hohe Temperaturen.
4. Bifaziale Solarpanels: Bifaziale Solarpanels besitzen aktive Schichten auf Vorder und Rückseite und können dadurch Licht von beiden Seiten aufnehmen. Dies steigert den Stromertrag signifikant, insbesondere bei Freiflächenanlagen oder auf reflektierenden Untergründen wie Flachdächern.
5. PERC Solarpanels: PERC Solarpanels (Passivated Emitter and Rear Cell) verfügen über eine zusätzliche passivierende Rückseitenstruktur, die die Lichtausbeute verbessert. Sie liefern höhere Wirkungsgrade, verlieren jedoch tendenziell schneller an Leistung und sind kostenintensiver in der Herstellung.
6. Glas-Glas Solarpanels: Glas-Glas Solarpanels bestehen aus zwei Glasschichten, die die Zellen beidseitig einschließen. Diese Bauweise erhöht die mechanische Stabilität und Witterungsbeständigkeit. Sie sind besonders langlebig, jedoch schwerer und kostenintensiver als herkömmliche Varianten.

Wie wählt man das richtige Solarpanel?

Um das passende Solarpanel für eine Photovoltaikanlage auszuwählen, sollten mehrere entscheidende Faktoren sorgfältig abgewogen werden. Die Wahl hängt nicht nur vom verfügbaren Budget ab, sondern auch von technischen Anforderungen, Standortbedingungen und dem persönlichen Energiebedarf. Die folgenden Schritte geben dabei eine Orientierung.

• Energiebedarf und verfügbare Fläche
• Modulleistung und Wirkungsgrad
• Modulart
• Technische Eigenschaften 

1. Energiebedarf und verfügbare Fläche: Energiebedarf und verfügbare Fläche bilden die Ausgangsbasis für jede Planung. Der durchschnittliche Stromverbrauch pro Jahr entscheidet über die erforderliche Anlagengröße. Gleichzeitig bestimmt die zur Verfügung stehende Dachfläche, welche Modulart sinnvoll ist. Ist die Fläche begrenzt, empfiehlt sich der Einsatz von Modulen mit hoher Leistungsdichte, etwa monokristalline Varianten. Bei großen Flächen können günstigere, flächeneffizientere Lösungen wie polykristalline oder Dünnschichtmodule sinnvoll sein.
2. Modulleistung und Wirkungsgrad: Modulleistung und Wirkungsgrad sind zentrale technische Parameter. Die Modulleistung wird in Watt Peak angegeben und zeigt, wie viel elektrische Leistung ein Modul unter Standardbedingungen erzeugen kann. Moderne Module erreichen Werte zwischen dreihundertfünfzig und vierhundertfünfzig Watt Peak. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Hochwertige monokristalline Module erzielen hier Werte über einundzwanzig Prozent und eignen sich besonders für Standorte mit begrenztem Platzangebot.
3. Modulart: Modulart ist entscheidend für Kosten, Leistung und Anwendung. Monokristalline Module zeichnen sich durch hohe Effizienz und kompaktes Design aus, sind aber teurer. Polykristalline Module sind kostengünstiger, benötigen jedoch mehr Fläche. Dünnschichtmodule sind leicht und flexibel, haben aber geringere Wirkungsgrade, was sie für großflächige oder spezielle Anwendungen prädestiniert. Glas Glas Module bieten maximale Robustheit und Langlebigkeit, sind jedoch schwerer und kostenintensiver.
4. Technische Eigenschaften: Technische Eigenschaften wie Temperaturkoeffizient, Schwachlichtverhalten und Belastbarkeit spielen eine wichtige Rolle für den realen Ertrag im Betrieb. Ein niedriger Temperaturkoeffizient, idealerweise unter minus null Komma drei Prozent pro Grad Celsius, gewährleistet stabilen Betrieb bei hohen Temperaturen. Gute Leistung bei diffusem Licht ist essenziell für Regionen mit häufig bewölktem Himmel. Außerdem sollte geprüft werden, ob die Module für lokale Schnee und Windlasten geeignet sind, um langfristige Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Wie sind Solarmodule aufgebaut?

Ein Solarmodul besteht aus mehreren funktional abgestimmten Schichten und Komponenten, die gemeinsam für Energieumwandlung, Schutz und mechanische Stabilität sorgen. Der modulare Aufbau ist entscheidend für die Effizienz, Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit des gesamten Photovoltaiksystems. Die folgenden Bestandteile bilden die strukturelle Grundlage eines modernen Solarmoduls.

• Frontglasscheibe
• Einbettungsfolie
• Solarzellen
• Rückseitige Kunststoffschicht
• Rückseitenabdeckung
• Rahmen
• Anschlussdose 

1. Frontglasscheibe: Die Frontglasscheibe , meist aus gehärtetem Einscheibensicherheitsglas gefertigt, schützt die darunterliegenden Schichten vor Witterungseinflüssen, Schmutz und mechanischer Beanspruchung. Ihre hohe Lichtdurchlässigkeit gewährleistet eine optimale Energieeinstrahlung.
2. Einbettungsfolie: Die Einbettungsfolie , in der Regel aus Ethylen Vinylacetat, liegt direkt unter dem Glas. Sie dient der luft- und feuchtigkeitsdichten Verkapselung der empfindlichen Solarzellen und sichert deren Position innerhalb des Moduls.
3. Solarzellen: Die Solarzellen sind das Herzstück der Photovoltaikeinheit. Sie bestehen meist aus mono oder polykristallinem Silizium und sind elektrisch miteinander verschaltet, um das einfallende Sonnenlicht in elektrischen Gleichstrom zu transformieren.
4. Rückseitige Kunststoffschicht: Die rückseitige Kunststoffschicht , ebenfalls aus EVA oder alternativ aus Polyolefinen, ergänzt den Zellverbund und schützt vor mechanischen und klimatischen Einwirkungen von unten.
5. Rückseitenabdeckung: Die Rückseitenabdeckung besteht entweder aus einer beständigen Kunststofffolie wie Polyvinylfluorid oder aus einer zweiten Glasscheibe, was bei sogenannten Glas Glas Modulen für erhöhte Stabilität und Langlebigkeit sorgt.
6. Rahmen: Der Rahmen , meist aus eloxiertem Aluminium, verleiht dem Modul strukturelle Festigkeit, erleichtert die Montage und schützt die Innenkomponenten vor physikalischer Belastung.
7. Anschlussdose: Die Anschlussdose auf der Rückseite enthält elektrische Bypass Dioden und Verbindungskabel, die für die Verschaltung mehrerer Module sowie den Anschluss an den Wechselrichter verantwortlich sind und den Energiefluss im System regeln.

Welche Vorteile hat die Nutzung von Solarenergie?

Die Nutzung von Solarenergie bietet eine Vielzahl konkreter Vorteile in ökonomischer, ökologischer und technologischer Hinsicht.

Sie ermöglicht Haushalten und Unternehmen eine signifikante Senkung ihrer Stromkosten, da selbst erzeugter Solarstrom langfristig günstiger ist als Netzstrom und gleichzeitig vor Preisschwankungen schützt. Durch die Kombination mit Stromspeichern lässt sich die energetische Autarkie zusätzlich erhöhen.

Als emissionsfreie Energiequelle trägt Solarenergie entscheidend zur Reduzierung von Kohlenstoffdioxid und anderen Treibhausgasen bei, wodurch sie eine tragende Säule der Energiewende und des Klimaschutzes darstellt. Die Sonne ist dabei eine unerschöpfliche Ressource, die global verfügbar und kostenlos nutzbar ist.

Moderne Photovoltaikanlagen zeichnen sich durch ihre lange Lebensdauer von bis zu vierzig Jahren, geringen Wartungsaufwand und hohe Betriebssicherheit aus. Staatliche Förderprogramme und steuerliche Anreize verbessern zusätzlich die Wirtschaftlichkeit einer Investition.

Darüber hinaus steigert eine Solaranlage den Marktwert von Immobilien und lässt sich flexibel mit Wärmepumpen, Batteriespeichern oder Elektromobilität vernetzen, was ihren praktischen Nutzen in zukunftsorientierten Energiesystemen nochmals erweitert.

Was kostet ein Solarpanel?

Die Kosten eines Solarpanels variieren je nach Technologie, Leistung und Marktbedingungen, wobei monokristalline Module mit durchschnittlich 200 Euro bis 340 Euro pro Einheit zu den hochpreisigen Varianten zählen.

Der Preis eines Moduls steht in direktem Zusammenhang mit dessen Wirkungsgrad und Energieausbeute, was bedeutet, dass leistungsstärkere Panels zwar teurer sind, aber weniger Fläche zur Stromerzeugung benötigen.

Polykristalline Module bewegen sich preislich im Bereich von etwa 150 Euro bis 250 Euro und stellen eine ausgewogene Lösung zwischen Effizienz und Kosten dar. Dünnschichtmodule sind am günstigsten in der Anschaffung, bieten jedoch die geringste Leistungsausbeute und werden daher eher für großflächige Anwendungen mit niedrigem Platzdruck eingesetzt.

Laut dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme entfallen aktuell nur noch etwa ein Drittel der Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage auf die Solarmodule selbst. Weitere preisbestimmende Faktoren sind der Hersteller, die Produktionsregion, die Qualitätsklasse und die jeweilige Marktsituation.

Wie viel Leistung bringt ein Solarmodul?

Ein Solarmodul liefert je nach Bauart und Technologie eine elektrische Spitzenleistung zwischen 50 und über 400 Watt Peak. Watt Peak bezeichnet dabei die maximale Stromerzeugung unter genormten Testbedingungen und dient als zentraler Kennwert zur Vergleichbarkeit verschiedener Solarmodule.

Die tatsächliche Leistung eines Moduls hängt maßgeblich vom verwendeten Halbleitermaterial und dessen Wirkungsgrad ab. Monokristalline Module, die besonders effizient arbeiten, erreichen heute Leistungen von bis zu 430 Watt Peak pro Einheit und gelten damit als leistungsstarke Option für begrenzte Dachflächen.

Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet gleichzeitig, dass weniger PV-Module für denselben Stromertrag benötigt werden.

Wie werden Solarpaneele befestigt?

Solarpaneele werden abhängig von Dachtyp, Standort und baulichen Gegebenheiten mit verschiedenen Montagesystemen sicher befestigt.

Auf Schrägdächern ist die Aufdachmontage besonders verbreitet, bei der Dachhaken unter den Dachziegeln an den Sparren verschraubt und darauf Aluminiumschienen montiert werden, auf denen die Module mit Modulklemmen fixiert sind. Diese Methode bietet eine gute Hinterlüftung und erlaubt eine einfache Nachrüstung.

Alternativ kann die Indachmontage gewählt werden, bei der die Solarmodule direkt in die Dachfläche integriert werden und damit teilweise die Funktion der Dacheindeckung übernehmen – optisch elegant, aber technisch aufwendiger.

Seltener kommt bei speziellen Ziegeldächern eine Klebemontage zum Einsatz, bei der die Module mit haftstarken Klebstoffen direkt auf die Ziegel aufgeklebt werden, ohne das Dach zu durchdringen. Auf Flachdächern werden Paneele in sogenannte Aufständerungssysteme eingelegt, die meist aus Aluminium bestehen und mit Ballast wie Betonblöcken beschwert werden, um Stabilität gegen Windlasten zu gewährleisten.

Diese Konstruktionen erlauben eine gezielte Ausrichtung der Module zur Sonne. Darüber hinaus gibt es spezielle Halterungen für die vertikale Fassadenmontage sowie Unterkonstruktionen für Freiflächen, bei denen die Module auf Gestellen montiert und fest im Boden verankert werden.

Welche Auswirkung hat der Standort auf die Effizient der Solarmodule?

Der geografische und klimatische Standort hat einen direkten und weitreichenden Einfluss auf die Effizienz sowie den Energieertrag von Solarmodulen. Zahlreiche standortabhängige Faktoren bestimmen, wie effektiv Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die folgenden Aspekte sind dabei besonders relevant.

• Sonneneinstrahlung
• Breitengrad und Sonnenhöhenwinkel
• Verschattung
• Temperatur
• Höhenlage
• Luftverschmutzung und Verschmutzung 

1. Sonneneinstrahlung: Die Sonneneinstrahlung ist der zentrale Einflussfaktor für die Stromproduktion. Je mehr Sonnenstunden und je höher die Globalstrahlung am Installationsort, desto größer ist der potenzielle Ertrag. Innerhalb Deutschlands zeigt sich ein deutliches Süd Nord Gefälle, wobei südliche Regionen wie Bayern oder Baden Württemberg eine höhere Strahlungsintensität aufweisen als nördliche Landesteile.
2. Breitengrad: Der Breitengrad und der Sonnenhöhenwinkel beeinflussen den Einfallswinkel des Lichts über das Jahr hinweg. In äquatornahen Regionen bleibt die Sonnenbahn relativ konstant hoch, was zu gleichmäßigerer Energieausbeute führt. In höheren Breiten variiert der Sonnenstand saisonal stark, wodurch besonders in den Wintermonaten mit Effizienzverlusten zu rechnen ist.
3. Verschalung: Verschattung durch Gebäude, Bäume oder andere Hindernisse kann den Ertrag einzelner Module oder ganzer Modulstränge drastisch mindern. Bereits kleinere Schattenwürfe reduzieren die Stromausbeute, weshalb eine schattenfreie Platzierung oder der Einsatz von Leistungsoptimierern empfehlenswert ist.
4. Temperatur: Die Temperatur spielt ebenfalls eine bedeutende Rolle, da hohe Umgebungstemperaturen die Leistungsfähigkeit der Module beeinträchtigen. Ab etwa fünfundzwanzig Grad Celsius sinkt die Effizienz pro weiterem Grad um durchschnittlich null Komma vier Prozent. In sehr heißen Klimazonen führt dies zu messbaren Energieverlusten.
5. Höhenlage: In höheren Lagen profitieren Module von intensiverer Sonneneinstrahlung, da die Strahlung dort weniger durch die Atmosphäre gefiltert wird. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an Material und Befestigung wegen verstärkter Windlasten und Schneemengen.
6. Verschmutzung: Luftverschmutzung und allgemeine Verschmutzung der Moduloberflächen stellen besonders in urbanen oder industriellen Zonen ein Problem dar. Feinstaub, Ruß oder Pollen können die Lichtaufnahme reduzieren, weshalb regelmäßige Reinigung notwendig ist, um dauerhaft eine hohe Systemeffizienz zu gewährleisten.

Wie sollten Solarpanels ausgerichtet werden?

Solarpanels sollten idealerweise nach Süden ausgerichtet und in einem spezifischen Neigungswinkel montiert werden, um den maximalen Stromertrag zu erzielen.

Die Südausrichtung gewährleistet, dass die Sonnenstrahlen über den Tagesverlauf hinweg möglichst senkrecht auf die Modulfläche treffen, was in mitteleuropäischen Breitengraden wie Deutschland zu einer besonders hohen Energieausbeute führt.

Der optimale Neigungswinkel liegt dabei zwischen dreißig und vierzig Grad, wobei in südlichen Regionen ein etwas flacherer Winkel und im Norden ein steilerer Neigungsgrad empfohlen wird. Geringfügige Abweichungen von der Südausrichtung – beispielsweise nach Südosten oder Südwesten – führen lediglich zu moderaten Ertragseinbußen von etwa fünf Prozent.

Bei Ost oder Westausrichtung sinkt die Ausbeute im Vergleich zur Südlage um bis zu zwanzig Prozent, während eine Nordausrichtung nur noch einen Bruchteil der potenziellen Leistung liefert.

Wie viel Ertrag produziert eine Photovoltaikanlage durchschnittlich am Tag?

Eine Photovoltaikanlage produziert in Deutschland durchschnittlich etwa 2,7 Kilowattstunden Strom pro installiertem Kilowattpeak und Tag. Dieser Tagesertrag variiert abhängig von geophysikalischen Standortfaktoren, der Ausrichtung der Solarmodule sowie deren Neigungswinkel und ergibt sich als Mittelwert über das gesamte Jahr.

Bei einer typischen Anlage mit 4 kWp Leistung entspricht dies einem durchschnittlichen Tagesertrag von rund 10,8 Kilowattstunden, während eine größere Anlage mit 10 kWp etwa 27,4 Kilowattstunden pro Tag erzeugt.

Welche Eigenverbrauchsquote ist bei einer PV-Anlage realistisch?

Eine realistische Eigenverbrauchsquote bei einer Photovoltaikanlage liegt ohne Stromspeicher zwischen 25% und 40% des erzeugten Solarstroms. Entscheidend für die Höhe dieser Eigenverbrauchsquote ist das zeitliche Verhältnis zwischen Stromproduktion und Verbrauch im Tagesverlauf.

Wird ein Batteriespeicher integriert, erhöht sich die Eigenverbrauchsquote deutlich auf realistische 60% bis 80%. In technisch gut abgestimmten Systemen sind sogar höhere Werte erreichbar, wobei in der Praxis die meisten Haushalte mit Speicherlösungen bei etwa 70% liegen.