Technik

Wie funktionieren Solarzellen?

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Solarzellen bestehen aus zwei Schichten Silizium. Durch ein hinzugefügtes Element, z.B. Bor und Phosphor, unterscheiden sich die beiden Schichten leicht. Genau an der Grenze zwischen den beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld.

Zwischen den an den Siliziumschichten angebrachten Metallkontakten fließt bei Lichteinstrahlung aufgrund von physikalischen Vorgängen elektrischer Strom. Eine einfache und unterhaltsame Erläuterung der erwähnten physikalischen Vorgänge zeigt folgender „Erklärbeitrag“ von „The Simple Physics“, einem Portal für Physiknachhilfe.

Welche unterschiedlichen Zellen gibt es?

Bei den Solarzellen und den aus ihnen zusammengesetzten Solarmodulen gibt es unterschiedliche Typen. Sie unterscheiden sich in der Herstellung, der Leistung und damit dem Verwendungszweck.

Bisher kamen bei PV-Anlagen hauptsächlich Module aus kristallinen Zellen zum Einsatz, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben. Neben den Solarzellen aus monokristallinem Silizium gibt es Solarzellen aus polykristallinem Silizium, Dünnschichtzellen, Mehrfachsolarzellen und organische Solarzellen.

Der Klassiker unter den Solarzellen sind die monokristallinen Zellen und fanden schon in der Raumfahrt Verwendung. Die anthrazit, dunkelblau bis schwarz schimmernden Zellen haben eine ebene und glatte Oberfläche. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 14 bis fast 20 Prozent und ist bei direkter Sonneneinstrahlung am effizientesten.

Das energieaufwändige Herstellungsverfahren macht sie teurer als polykristalline Zellen. Ihr Einsatzgebiet sind PV-Anlagen auf kleinen, begrenzten Dachflächen oder Anlagen mit möglichst hoher Leistung.

Mehr als die Hälfte aller verbauten Anlagen bestehen aus polykristallinen Zellen. Erkennbar sind poly- oder multikristalline Solarzellen an ihrer bläulichen Färbung. Ihre Herstellung ist nicht nur einfacher, sondern es entsteht auch weniger Abfall, was sie preiswerter macht als monokristalline Zellen. Auch ihre Umweltbilanz ist ausgeglichener, da für die Herstellung weniger Energie benötigt wird. Mit einem Wirkungsgrad von circa 15 Prozent schreibt man den polykristallinen Solarzellen das beste Preis-Leistungs-Verhältnis zu. Zum Einsatz kommen sie häufig auf größeren Dachflächen.

Die amorphen Dünnschichtzellen sind nicht nur erheblicher dünner als die konventionellen kristallinen Solarzellen, sondern je nach Trägermaterial auch erheblich flexibler. Zur Herstellung wird Silizium oder andere Materialien wie z.B. Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) in Schichtdicken von weniger als 1 µm auf ein Trägermaterial aufgedampft oder aufgesprüht. Die Produktion der schwarz, dunkelgrün oder braun schimmernden Dünnschichtzellen ist günstiger als die der kristallinen Solarzellen. Dafür ist ihr Wirkungsgrad mit 6 bis 10 Prozent auch deutlich niedriger. Für einen guten Energieertrag sind deshalb große bis sehr große Flächen für den Einsatz von Dünnschichtzellen notwendig.

Mehrfachsolarzellen oder auch Tandem-Solarzellen bzw. Stapelsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr übereinander geschichteten Solarzellen unterschiedlichen Materials. Im Gegensatz zur konventionellen Solarzelle können Mehrfachsolarzellen einen weitaus größeren Teil des einfallenden Lichtspektrums zur Erzeugung von Strom nutzen und weisen deshalb auch einen höheren Wirkungsgrad auf. Erreicht wird das, indem aus kurzwelligem und damit hochenergetischem Licht in der obersten geschichteten Solarzelle eine höhere Spannung erzeugt wird. Zugleich wird bei der Stromerzeugung auch das langwelligere und niedrigenergetische Licht durch darunterliegende Solarzellen genutzt. Mehrfachsolarzellen zeigen mit über 30 Prozent einen sehr guten Wirkungsgrad, sind jedoch aufgrund der aufwändigen Herstellung sehr teuer und kommen derzeit noch nicht im breiten Markt der privaten PV-Anlagen zum Einsatz.

Organische Solarzellen ersetzen Silizium mit Kohlenwasserstoff-Verbindungen, also Werkstoffen aus der organischen Chemie. Ihr Wirkungsgrad liegt derzeit noch unter dem herkömmlicher Zellen. Dennoch sind organische Solarzellen sehr interessant, weil sie einige Vorteile bieten. Dank einer erheblich einfacheren Produktion sind die Herstellungskosten gering. Gleichzeitig lassen sich stromerzeugende Eigenschaften auf Kunststoffe übertragen. Die dünnen „Solarfolien“ sind sehr flexibel und lassen sich auf vorhandene Materialien wie Beton, Metall, Kunststofffolien, Glas oder Bitumen aufkleben. Für einen effizienten Einsatz sind aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades große Flächen nötig.

PV-Anlagen für das Dach

Die zu PV-Modulen zusammengefassten Solarzellen werden auf einem Dach entweder direkt in die Dachdeckung integriert oder oberhalb der Deckung an einer Tragkonstruktion montiert. Deshalb unterscheidet man zwischen integrierten und aufgeständerten PV-Anlagen.

Da bei dachintegrierten PV-Anlagen die Solarmodule anstelle von Dachziegeln, Dachsteinen oder anderen Deckmaterialien verlegt werden, fällt deren Montage in das Aufgabengebiet des Dachdeckers. Unterschieden wird hier noch zwischen der Art der Module. So gibt es einbaufertige In-Dach-Panels, die in die sonst übliche Dachdeckung integriert werden. Dann werden am Markt auch Systeme angeboten, bei denen das komplette Dach mit Solarmodulen gedeckt wird.

Mittlerweile gibt es sogar PV-Module, die wie Dachziegel/Dachsteine auf dem Dach verlegt werden. Für alle genannten Varianten gilt, dass der Dachdecker sowohl die Verlegung der einzelnen Module als auch deren Verkabelung untereinander übernimmt. Der finale Anschluss der PV-Anlage liegt weiter in der Hand eines Elektrofachbetriebes.

Dachintegrierte PV-Anlagen

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Im Video: Michael Zimmermann, Dachdeckermeister und Energieberater, erklärt die Vor- und Nachteile der dachintegrierten PV-Anlagen.

Vorteile von dachintegrierten PV-Anlagen

Für Neubauten mit Steildach oder kompletten Dachsanierungen sind integrierte PV-Anlagen ideal. Es werden keine zusätzliche Aufbauten oberhalb der vorhandenen oder der neu zu verlegenden Dachdeckung benötigt.

Denn die meist rahmenlosen Module bilden selbst einen Teil der Dachdeckung und liegen mit dieser auf einer Ebene. Auch die Montage ist relativ einfach, da die Module nur in die Dachkonstruktion eingehängt und über eine Nut-Feder-Verbindung ineinandergeschoben werden. Die auftretenden Kräfte (Eigengewicht der Module, Winddruck) werden gleichmäßig in die Dachkonstruktion abgeleitet.

Die PV-Module lassen sich sicher und dauerhaft in die Dachdeckung integrieren. Insbesondere die Anschlussarbeiten gehören in die Hand eines Dachdeckers. Nicht zuletzt spielen auch ästhetische Aspekte eine Rolle. So sind Solardachziegel deutlich unauffälliger als Solarpanels und sind i.d.R. auch mit den Auflagen des Denkmalschutzes vereinbar. Zudem lassen sich Solardachziegel aufgrund ihrer geringen Größe auch bei komplexen Dachformen einsetzen.  

Nachteile von dachintegrierten PV-Anlagen

Da der Wirkungsgrad von PV-Anlagen unter anderem auch vom Aufstellwinkel abhängig ist, sind nicht alle Steildächer für die Montage von integrierten PV-Anlagen geeignet. Dächer mit Abdichtungen aus Blech oder Bitumen sind für dachintegrierte PV-Anlagen kaum geeignet.

Bei Verwendung von Solardachziegeln ist in der Regel mit Mehrkosten von ca. 30 Prozent zu rechnen, auch wenn die Kosten für das klassische Deckmaterial entfallen. Das liegt vor allem an dem Mehraufwand, der sich durch die notwendige Verkabelung der einzelnen Solardachziegel ergibt. Insgesamt kann es bei integrierten PV-Anlagen zu Leistungseinbußen kommen, da die Hinterkühlung der Module schlechter ist als bei aufgeständerten Anlagen.

Aufgeständerte PV-Anlagen

zählen zu den Klassikern der Solaranlagen auf Dächern. Sie lassen sich sowohl auf Steil- als auch auf Flachdächern (z.B. Garagen, Gauben, etc.) installieren. Hierfür werden die einzelnen PV-Module auf einen Tragrahmen montiert, der beim Steildach in der Dachkonstruktion fixiert wird.

Für Flachdächer gibt es Lösungen für durchdringungsfreie Aufständerungen sowie für Aufständerungen mit Dachdurchdringung. Da es sich auch bei aufgeständerten PV-Anlagen immer um Eingriffe in die Dachkonstruktion handelt, sind die Installationsarbeiten nur durch einen fachkundigen Dachdeckerbetrieb auszuführen. Das gilt auch bei durchdringungsfreien Aufständerungen.

Vorteile von aufgeständerten PV-Anlagen

Die PV-Module lassen sich jederzeit und damit auch nachträglich auf einer Dachfläche installieren. Die vorhandene Dachdeckung bei Steildächern bzw. Dachabdichtung bei Flachdächern muss nicht entfernt werden.

Defekte Module können einfach ausgetauscht werden. Auf Flachdachflächen lassen sich die PV-Module optimal ausrichten. Außerdem sorgt die gute Hinterkühlung von aufgeständerten PV-Anlagen für eine geringere Aufheizung der Module und dadurch für eine gleichbleibende Leistung.

Nachteile von aufgeständerten PV-Anlagen

Die Installation von aufgeständerten PV-Modulen ist technisch anspruchsvoll. So gilt es bei Steildächern die auftretenden Lasten (Eigengewicht und Windkräfte) sicher, zuverlässig und schadensfrei in die Dachkonstruktion abzuleiten.

Im Gegensatz zu den dachintegrierten Anlagen erfolgt dies i.d.R. nur über einige wenige Verbindungen zur Dachkonstruktion. Diese sind sorgsam und nur von fachkundigen Dachdeckern auszuführen, damit es nicht zu Schäden an der Dachkonstruktion oder der Dachdeckung bzw. Dachabdichtung kommt.

Dachdecker/innen sind bei der Installation von PV-Anlagen immer die beste Wahl

Der Einbau einer PV-Anlage auf dem Dach ist nicht nur mit vielen Gefahren verbunden, sondern auch ein Eingriff in die Gesamtkonstruktion, der sich auch auf die Dichtigkeit des Daches auswirken kann. Deshalb ist hierfür der kompetent ausgebildete und speziell geschulte Dachdeckerbrieb der richtige Ansprechpartner für Bauherren, die auf ihrem Dach eine PV-Anlage installieren wollen. Denn nur der Dachdecker kann beurteilen, ob und inwieweit das Dach und die vorhandenen Materialien für eine Installation einer PV-Anlage (noch) geeignet sind. Auch die Montage sowie die fachgerechte Einbindung in die Dachkonstruktion inklusive aller statischen Belange (Einleitung der Kräfte wie Eigengewicht und Winddruck) ist das Hauptaufgabenfeld des Dachdeckers. Insbesondere die Installation von PV-Anlagen auf Flachdachflächen ob mit oder ohne Durchdringung der Dachhaut benötigt die Fachkenntnisse und den Sachverstand eines Dachdeckers.

Hier finden Sie einen kompetenten Fachhandwerker für die Installation Ihrer PV-Anlage.

Dachdeckerbetrieb finden

PV-Anlagen und Brandschutz

Im Vergleich zu anderen technischen Anlagen stellen PV-Anlagen kein besonders erhöhtes Brandrisiko dar:


>> Bisher verursachten 0,006 % der installierten PV-Anlagen einen Brand mit größerem Schaden. <<

In den letzten 20 Jahren gab es 350 Brände, an denen die Solaranlage beteiligt war, bei 120 war sie Auslöser des Brandes. In 75 Fällen war der Schaden größer, in 10 dieser Fälle brannte ein Gebäude ab.*

Als elektrische Anlagen können PV-Anlagen einen Brand auslösen. Aus diesem Grund müssen PV-Anlagen entsprechend der geltenden Richtlinien installiert werden. Mit Blick auf den Brandschutz gelten für PV-Anlagen zwei Besonderheiten:

  1. PV-Anlagen arbeiten mit Gleichstrom.
  2. Man kann PV-Anlagen nicht einfach abschalten. Solange Licht auf die Module fällt, produzieren sie Strom.

Wie entstehen Brände durch PV-Anlagen?

Defekte in stromleitenden Komponenten führten in Deutschland nachweislich zu Bränden durch PV-Anlagen. Meistens waren Fehler bei der Verkabelung und den Anschlüssen der Ausgangspunkt.

Denn löst sich eine minderwertige oder schlecht installierte Steckverbindung, dann wird dadurch der Stromfluss nicht immer unterbrochen. Vielmehr kann ein Lichtbogen entstehen. Im schlimmsten Fall setzen sich dadurch in der Nähe befindliche Materialien oder die PV-Anlage selbst in Brand.

Deshalb arbeiten die Hersteller zum einen daran, die Entstehung von solchen Lichtbögen weitgehend zu vermeiden. Zum anderen werden Detektoren entwickelt, die frühzeitig Alarm auslösen, sobald auch nur ein kleiner Lichtbogen entsteht.

Details zu Bränden von PV-Anlagen, wie sie gelöscht werden und welche Gründe es dafür gibt, finden Sie in einem Beitrag der Verbraucherzentrale Schleswig-Holstein.

* Quelle: "Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland" (Fraunhofer ISE / Stand: 2022)

Wie reduziert man die Brandgefahr von PV-Anlagen?

In der Praxis hat sich gezeigt, dass durch PV-Anlagen entstandene Brände ihre Ursache in der schlechten bzw. nicht fachgerechten Installation haben. So installieren nicht selten unerfahrene oder schlecht geschulte Installationstrupps PV-Anlagen im Akkord.

Dabei werden schon mal Solarstecker mit der Kombizange statt mit Spezialwerkzeug angebracht oder nicht kompatible Stecker verwendet. Und damit sind Schwachstellen vorprogrammiert.

Daher sollten interessierte Bauherrn nicht an der fachgerechten Montage der PV-Anlage durch ausgebildete Handwerker wie Dachdecker, die in Kooperation mit Elektrofachbetrieben Anlagen installieren, sparen.

Solarmodule, die dem Licht ausgesetzt sind, erzeugen auch dann hohe Spannungen in der PV-Anlage, wenn diese vom Stromnetz getrennt ist. Die VDE-Richtlinie VDE-AR-E 2100-712 „Maßnahmen für den DC-Bereich einer Photovoltaikanlage zum Einhalten der elektrischen Sicherheit im Falle einer Brandbekämpfung oder einer technischen Hilfeleistung“ beschreibt bauliche und technische Maßnahmen, um Einsatzkräfte vor elektrischen Schlägen durch schadhafte Gleichstromleitungen zu schützen.

Unter anderem schreibt die VDE Richtlinie vor, dass innerhalb von 15 Sekunden nach Abschalten der Wechselstrom-Seite eine Gleichstrom-Leitung nur noch eine Spannung kleiner 120 Volt (Vdc) führt.

Wie können brennende PV-Module gelöscht werden?

Brände von Anlagen mit spannungsführenden Leitungen sind generell schwerer zu löschen als „normale“ Brände. Das gilt eben auch für PV-Anlagen. In der Regel löscht die Feuerweht den Brand wie bei jeder Elektroinstallation je nach Strahlart mit Wasser aus ein bis fünf Meter Abstand.

Unabhängig davon kann das Löschen eines Brandes in einem Haus durch die PV-Anlage behindert werden, weil das Löschwasser einfach von den Modulen abläuft. In den meisten Fällen ist jedoch aus Sicht der Feuerwehr der Brand bereits soweit fortgeschritten, dass der Schaden selbst ohne Behinderung durch die PV-Anlage nicht mehr abzuwenden wäre.

Gefährden PV-Anlagen die Feuerwehrleute?

Das größte Risiko besteht immer dann, wenn Löschkräfte Räume betreten, wo spannungsführende, angeschmorte Kabel der PV-Anlage mit Wasser oder der Löschkraft selbst in Kontakt kommen.

Grundsätzlich ist es sinnvoll, die Feuerwehr darauf hinzuweisen, dass sich auf dem Dach des Hauses eine PV-Anlage befindet. Entsprechende Hinweisschilder am Haus warnen die Feuerwehr schon vor dem Betreten des Gebäudes. Auch können dadurch entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Schon länger arbeiten die Hersteller an Notschaltern, die dafür sorgen, dass die Module in Dachnähe von den herabführenden DC-Leitungen über Sicherheitsrelais getrennt werden. In Deutschland ist bisher (Stand 2020) noch kein Feuerwehrmann durch PV-Strom während einer Brandbekämpfung verletzt worden.*

* Quelle: "Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland" (Fraunhofer ISE / Stand: 2022)

Kann man eine PV-Anlage und eine Dachbegrünung miteinander kombinieren?

Grundsätzlich spricht zunächst einmal nichts dagegen, eine Dachbegrünung und eine PV-Anlage miteinander zu kombinieren. Ganz im Gegenteil trägt eine solche Dachfläche gleich zweifach zum Klimaschutz bei. Denn zum einen wird eine überbaute Fläche wieder entsiegelt und das anfallende Regenwasser zwischengespeichert, zum anderen Strom aus Sonnenlicht erzeugt.

Bei einer Kombination aus Gründach und PV-Anlage sind einige zusätzliche Rahmenbedingungen zu berücksichtigen. So muss die Dachfläche grundsätzlich ausreichend tragfähig sein, um die Last einer Begrünung samt gespeichertem Regenwasser auch tragen und ableiten zu können. Zum anderen darf die geplante Bepflanzung die PV-Module nicht verschatten. Die PV-Module sind in Reihen aufzustellen, um eine behinderungsfreie Wartung zu ermöglichen. Zudem sollten Systeme zum Einsatz kommen, die nicht die Dachabdichtung durchdringen.

Umgekehrt wirkt sich eine Begrünung positiv auf die Effizienz der PV-Module aus. Denn sowohl die geringere Erwärmung der Dachfläche als auch die zusätzliche Verdunstungskühle sorgen dafür, dass die PV-Module sich weniger erwärmen und damit effizienter arbeiten.

Dächer mit Begrünung und PV-Anlage haben einen höheren Wartungsaufwand.

Wenn Sie schon wissen was Sie wollen, dann finden Sie hier den besten Partner für Ihr Klimaschutzprojekt:

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