Das Wichtigste in Kürze
Polykristalline Solarzellen bestehen aus Silizium, das beim Erstarren viele kleine Kristalle gebildet hat. Sie waren über viele Jahre die meistgebaute Solarzelle der Welt und sind in der Fertigung ein Auslaufmodell: Monokristalline Zellen haben sie abgelöst. In Anlagen, die schon auf dem Dach liegen, arbeiten sie weiter zuverlässig.
- Im Labor erreichte eine polykristalline Zelle des Fraunhofer ISE einen Wirkungsgrad von 22,3 Prozent (Fraunhofer ISE).
- Monokristalline Zellen kommen im Labor auf über 27 Prozent (US-Energieministerium).
- Polykristallines Silizium steckte über viele Jahre in mehr als der Hälfte aller gefertigten Module (PVEducation).
- Die Technik ist in der Praxis vom Markt verschwunden (Fraunhofer ISE, Photovoltaics Report).
- Module aus kristallinem Silizium halten mehr als 25 Jahre und verlieren weniger als 1 Prozent Leistung im Jahr (US-Energieministerium).
Was sind polykristalline Solarzellen?
Polykristalline Solarzellen sind Solarzellen aus Silizium, deren Material aus vielen einzelnen Kristallen besteht. Das griechische Wort poly bedeutet viel. In der Forschung heißt dieselbe Technik multikristallin, gemeint ist dasselbe.
Das Gegenstück sind monokristalline Solarzellen. Bei ihnen ist die ganze Zelle aus einem einzigen, durchgehenden Kristall geschnitten. Beide Arten gehören zu den kristallinen Siliziumzellen und funktionieren nach demselben Prinzip. Der Unterschied liegt allein im Inneren des Materials.
Dieser Beitrag behandelt die einzelne Zelle: ihren Aufbau, ihre Herstellung und ihre Grenzen. Eine Zelle allein liefert wenig Strom, erst viele verschaltete Zellen hinter Glas ergeben ein Modul. Was die fertigen Module kosten und wofür sie sich noch eignen, steht im Beitrag zu polykristallinen Solarmodulen.
Wie ist eine polykristalline Solarzelle aufgebaut?
Eine polykristalline Solarzelle ist eine dünne Siliziumscheibe, in der viele Kristalle wie Mosaiksteine nebeneinanderliegen. Jeder Kristall ist in sich regelmäßig aufgebaut, aber anders ausgerichtet als sein Nachbar. Die Nahtstellen dazwischen heißen Korngrenzen.
Dieses Mosaik ist mit bloßem Auge zu sehen. Die Oberfläche der Zelle wird bei der Fertigung aufgeraut, damit sie weniger Licht zurückwirft. Danach reflektieren die unterschiedlich ausgerichteten Kristalle das Licht verschieden stark. So entstehen helle und dunkle Felder, wie das Lehrwerk PVEducation beschreibt. Das Muster erinnert an Eisblumen am Fenster.
Abgesehen vom Material gleicht der Aufbau dem jeder Siliziumzelle. Zwei unterschiedlich behandelte Schichten bilden einen elektrischen Übergang, an dem das Sonnenlicht Ladungen trennt. Feine Metallbahnen auf der Vorderseite und eine Metallschicht auf der Rückseite leiten den Strom ab. Mehr zum Grundprinzip steht im Überblick zu Solarzellen.
Wie werden polykristalline Solarzellen hergestellt?
Polykristalline Solarzellen werden aus einem großen Siliziumblock gesägt, der in einer Form erstarrt ist. Darin liegt der Unterschied zur monokristallinen Zelle, deren Kristall nach Angaben des US-Energieministeriums langsam aus einer Siliziumschmelze gezogen wird. Das Erstarren im Block ist laut PVEducation einfacher und günstiger.
- BlockGeschmolzenes Silizium erstarrt zu einem Block mit vielen Kristallen.
- SäulenDer Block wird in handliche Säulen zerteilt.
- WaferDrahtsägen schneiden die Säulen in dünne Scheiben.
- ZelleOberfläche, Schichten und Kontakte machen den Wafer zur Solarzelle.
Beim Abkühlen wachsen an vielen Stellen gleichzeitig Kristalle, bis sie aneinanderstoßen. Wie groß sie werden, lässt sich steuern. Damit an den Grenzen nicht zu viel Leistung verloren geht, müssen die Kristalle laut PVEducation mindestens einige Millimeter groß sein.
Die Hersteller haben das Verfahren über die Jahre verfeinert. Bei einer späteren Variante wird das Kristallwachstum gezielt mit Keimen gestartet. Das ergibt kleinere, aber gleichmäßigere Kristalle mit weniger Spannungen an den Grenzen. Dieses Material heißt in der Branche High Performance Multi und brachte bessere Zellen als der einfache Blockguss.
Welchen Wirkungsgrad haben polykristalline Solarzellen?
Polykristalline Solarzellen haben einen niedrigeren Wirkungsgrad als monokristalline. Im Labor erreichte das Fraunhofer ISE mit einer polykristallinen Zelle 22,3 Prozent und meldete das als Weltrekord für dieses Material. Monokristalline Zellen kommen im Labor nach Angaben des US-Energieministeriums auf über 27 Prozent.
Der Grund für den Abstand sind die Korngrenzen. Trifft Licht auf die Zelle, entstehen frei bewegliche Ladungen, die zu den Kontakten wandern müssen. An einer Korngrenze ist das Kristallgitter gestört. Dort fallen Ladungen zurück, bevor sie als Strom genutzt werden können. Fachleute nennen das Rekombination. Laut PVEducation behindern die Grenzen außerdem den Stromfluss und können Kriechwege durch die Zelle bilden.
Im Labor sind das Spitzenwerte unter besten Bedingungen. Zellen vom Fließband erreichen sie nicht, und im fertigen Modul kommt wegen der Zwischenräume, des Glases und des Rahmens noch etwas weniger an. Wie beide Angaben zusammenhängen, erklären die Beiträge zum Zellwirkungsgrad und zum Modulwirkungsgrad.
Warum sind polykristalline Solarzellen vom Markt verschwunden?
Polykristalline Solarzellen sind vom Markt verschwunden, weil monokristalline Zellen ihren Vorsprung beim Wirkungsgrad ausgebaut haben und zugleich billiger wurden. Über viele Jahre war es umgekehrt: Laut PVEducation steckte polykristallines Silizium lange in mehr als der Hälfte aller gefertigten Module. Der günstige Blockguss wog den geringeren Wirkungsgrad auf.
Gekippt ist das mit einem Wechsel im Zellaufbau. Ältere Zellen hatten eine einfache, durchgehende Aluminiumschicht auf der Rückseite. Sie wurde von der PERC-Zelle abgelöst, die auf der Rückseite eine zusätzliche Schutzschicht trägt und dadurch mehr Licht nutzt. Diese Verbesserung bringt monokristallinen Zellen laut PVEducation mehr als polykristallinen. Der Abstand wuchs.
Gleichzeitig wurde das Ziehen und Sägen der Einkristalle günstiger, und der Preisvorteil des Blockgusses schmolz. Das Fraunhofer ISE hält in seinem Photovoltaics Report fest, die multikristalline Siliziumtechnik sei in der Praxis vom Markt verschwunden.
Dass keine polykristallinen Zellen mehr gefertigt werden, sagt nichts über die Zellen, die schon verbaut sind. Sie altern nicht schneller, nur weil es die Technik nicht mehr zu kaufen gibt.
Praxis: Polykristalline Zellen auf dem eigenen Dach
Polykristalline Zellen auf dem eigenen Dach erkennen Sie am Aussehen. Wer eine ältere Solaranlage besitzt oder ein Haus mit Anlage kauft, kann mit einem Blick aufs Dach klären, welche Technik dort liegt.
- Die Zellen schimmern blau und zeigen ein unregelmäßiges Muster aus helleren und dunkleren Feldern.
- Die Zellen sind quadratisch mit scharfen Ecken. Ältere monokristalline Zellen haben abgeschrägte Ecken, zwischen ihnen sind kleine helle Rauten zu sehen.
- Im Datenblatt oder auf dem Typenschild steht poly, multi oder das Kürzel mc-Si.
Für den Betrieb ändert die Zellart wenig. Entscheidend ist, ob die Anlage den erwarteten Strom liefert. Module aus kristallinem Silizium erreichen nach Angaben des US-Energieministeriums eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren und verlieren weniger als 1 Prozent Leistung im Jahr. Ob Ihre Anlage im üblichen Rahmen arbeitet, zeigt der Rechner im Beitrag zur Performance Ratio.
Fällt ein einzelnes Modul aus, wird es schwierig, ein baugleiches zu bekommen. Ein Ersatzmodul muss elektrisch zu den übrigen Modulen im selben Strang passen, vor allem bei Spannung und Strom. Lassen Sie das vom Fachbetrieb prüfen, bevor Sie ein Modul mit anderer Zelltechnik dazwischensetzen.
Ein vorzeitiger Austausch der ganzen Anlage rechnet sich selten. Sinnvoll wird er, wenn das Dach ohnehin saniert wird oder die Module Schäden zeigen. Dann lohnt ein Blick auf die monokristallinen Solarmodule, die auf derselben Fläche mehr Strom liefern.
Häufige Fragen zu polykristallinen Solarzellen
Was ist der Unterschied zwischen polykristallin und multikristallin?
Es gibt keinen. Beide Wörter bezeichnen Solarzellen aus Silizium, das aus vielen einzelnen Kristallen besteht. In der Forschung ist multikristallin üblich, im Handel und im Alltag polykristallin.
Was ist der Unterschied zwischen polykristallinen und monokristallinen Solarzellen?
Eine monokristalline Zelle besteht aus einem einzigen Siliziumkristall, eine polykristalline aus vielen kleinen. An den Grenzen zwischen den Kristallen geht ein Teil der elektrischen Ladung verloren. Polykristalline Zellen wandeln deshalb weniger Licht in Strom um, waren aber lange einfacher und günstiger herzustellen.
Welchen Wirkungsgrad erreichen polykristalline Solarzellen?
Im Labor hat das Fraunhofer ISE mit einer polykristallinen Zelle 22,3 Prozent erreicht. Zellen aus der Serienfertigung lagen deutlich darunter. Monokristalline Zellen kommen im Labor nach Angaben des US-Energieministeriums auf über 27 Prozent.
Warum haben polykristalline Solarzellen ein Muster?
Das Muster zeigt die einzelnen Kristalle. Sie sind unterschiedlich ausgerichtet und werfen das Licht nach der Oberflächenbehandlung verschieden stark zurück. So entstehen die hellen und dunklen Felder, an denen man die Zellen erkennt.
Werden polykristalline Solarzellen noch hergestellt?
Praktisch nicht mehr. Das Fraunhofer ISE schreibt in seinem Photovoltaics Report, die multikristalline Siliziumtechnik sei in der Praxis vom Markt verschwunden. Die Hersteller fertigen monokristalline Zellen.
Was ist besser, monokristalline oder polykristalline Solarzellen?
Monokristalline Zellen sind besser, weil sie aus derselben Fläche mehr Strom holen. Für eine Solaranlage, die geplant wird, stellt sich die Frage nicht mehr, weil polykristalline Zellen kaum noch angeboten werden. Für eine bestehende Anlage mit polykristallinen Zellen ist das kein Grund zum Austausch.
Muss ich Module mit polykristallinen Zellen austauschen?
Nein, solange sie den erwarteten Ertrag liefern. Module aus kristallinem Silizium erreichen nach Angaben des US-Energieministeriums eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren und verlieren weniger als 1 Prozent Leistung im Jahr. Ein Austausch lohnt sich erst bei Schäden oder wenn das Dach ohnehin saniert wird.
Was ist der Unterschied zu amorphen Solarzellen?
Amorphes Silizium hat gar keine Kristallstruktur. Es wird als hauchdünne Schicht auf Glas oder Folie aufgetragen und gehört zu den Dünnschichtzellen. Polykristalline Zellen bestehen dagegen aus gesägten Scheiben mit vielen einzelnen Kristallen.
Fazit
Polykristalline Solarzellen haben die Photovoltaik groß gemacht, weil sie einfach und günstig herzustellen waren. Ihre Schwäche steckt im Material: An den Grenzen zwischen den Kristallen geht Leistung verloren. Als monokristalline Zellen billiger wurden, war das Rennen entschieden.
Unser Rat: Liegt eine Anlage mit polykristallinen Zellen auf Ihrem Dach, lassen Sie sie laufen und behalten Sie den Ertrag im Blick. Wer eine Anlage plant, bekommt ohnehin monokristalline Zellen angeboten. Welche Größe zu Ihrem Dach passt, zeigt der Solarrechner.
Quellen und Methodik
Die Wirkungsgrade der Laborzellen stammen vom Fraunhofer ISE und vom US-Energieministerium, die Angaben zu Korngrenzen, Herstellung und früherer Verbreitung aus dem Lehrwerk PVEducation, das an der Arizona State University und der University of New South Wales entstanden ist. Die Aussage zum Markt gibt den Photovoltaics Report des Fraunhofer ISE wieder. Wirkungsgrade von Serienzellen nennt dieser Beitrag nicht, weil dafür keine unabhängige Quelle abrufbar war. Solar.red hat keine eigenen Messungen vorgenommen.
- Fraunhofer ISE: World Record for Multicrystalline Silicon Solar Cells - Wirkungsgrad der polykristallinen Laborzelle
- Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report - multikristalline Technik vom Markt verschwunden
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Multi Crystalline Silicon - Korngrenzen, Herstellung, frühere Verbreitung, Wirkung der PERC-Technik
- US-Energieministerium: Crystalline Silicon Photovoltaics Research - Wirkungsgrad monokristalliner Zellen, Zellaufbau, Lebensdauer und Alterung
Hinweis: Dieser Beitrag dient der unabhängigen Information und ersetzt keine Prüfung durch einen Fachbetrieb. Laborwerte lassen sich nicht auf einzelne Produkte übertragen. Solar.red steht in keiner Verbindung zu den genannten Einrichtungen. Über die Anzeigen auf dieser Seite werden Anfragen an Fachbetriebe vermittelt, dafür erhält Solar.red eine Vergütung.
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