So gut sind beidseitig photoaktive Solarmodule Bifaziale PV-Module: Funktion, Kosten, Vor- und Nachteile

Bifaziale Module sind solche, die sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Strom erzeugen. "Bifacial" kommt aus dem Lateinischen und bedeutet "doppelgesichtig". Dank dieser Eigenschaft erzeugen sie mehr Ertrag. Somit sind bifaziale Module hocheffizient.

Bifaciale Solarzellen wurden erstmals 1960 von einem japanischen Forscher mit einer Doppelzelle mit zwei p-n-Übergängen vorgestellt. Im Gegensatz zu Standardzellen haben bifaciale Zellen einen modifizierten Rückkontakt, der den Eintritt von Photonen von der Rückseite der Zelle ermöglicht. Ein transparentes, leitfähiges Oxid dient als Kontakt auf beiden Seiten. Allerdings ist das von der Rückseite gesammelte Licht weniger effektiv.

Bifaziale PV-Module funktionieren ähnlich wie herkömmliche Solarmodule. Die Solarzellen sind auf der Vorderseite transparent. Die Rückseite der Zellen ist poliert, passiviert und durch eine Glasbeschichtung geschützt. Dadurch können die Zellen die von der hinterlegten Oberfläche reflektierte Sonnenstrahlung zur Stromproduktion nutzen.

Allerdings ist das Sonnenlicht, das auf der Rückseite ankommt, nicht so stark wie das Licht auf der Vorderseite. Der Bifazialitätsfaktor gibt den Unterschied im Wirkungsgrad zwischen Vorder- und Rückseite an. Moderne bifaciale Module haben in der Regel einen bifacialen Faktor von 70 bis 95 Prozent, was bedeutet, dass die Rückseite des Moduls etwa 70 bis 95 Prozent des von der Vorderseite erzeugten Stroms erzeugt. Dies führt jedoch nicht zu einer Verdoppelung der Stromerzeugung, da das auf der Rückseite ankommende Licht aufgrund von Reflexion und Streuung bereits reduziert ist. In Wirklichkeit erzeugen bifaziale Module nur etwa 10 bis 30 Prozent mehr Solarstrom.

Bifaziale Module erzeugen einen Mehrertrag von bis zu 30 Prozent, in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren. Der zusätzliche Ertrag von bifacialen Solarzellen hängt von mehreren Faktoren ab. PERC-Zellen haben einen rückseitigen Wirkungsgrad von 60 bis 70 Prozent, während n-Typ-Halbleiter bis zu 95 Prozent erreichen. Die Albedo der Oberfläche am Aufstellungsort ist ein weiterer kritischer Faktor. Hellere Oberflächen haben ein höheres Albedo und reflektieren mehr Licht zurück in die Solarzelle, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Höhere Erträge gehen mit höheren Modulkosten einher, da sich die weltweiten Produktionskapazitäten auf monofaciale Module konzentrieren. Die vertikale Installation führt zu 10 bis 20 Prozent höheren Investitionskosten. Die Mehrerträge von 5 bis 15 Prozent und die höheren Einnahmen aus dem Verkauf von Strom zu Spitzenzeiten gleichen die Anschaffungskosten aus.

Bei begrenztem Platzbedarf erzeugen bifaziale PV-Module auf geringer Fläche einen höheren Ertrag, was die Installationskosten senkt. Dies senkt auch die Kosten für die Unterkonstruktion und Verkabelung. Aber bifaziale Module haben mehrere Vorteile.

Im Folgenden listen wir die Vor- und Nachteile von bifazialen Modulen auf.

• Bifacial-Solarmodule sind so konzipiert, dass sie sowohl direktes Sonnenlicht von der Vorderseite als auch reflektiertes Licht von der Rückseite absorbieren, wodurch sie mehr Strom erzeugen als einseitige Module. Dies ist besonders vorteilhaft für Gebiete mit starker Reflexion durch den Boden oder umliegende Strukturen, da sie die Leistung im Vergleich zu einseitigen Modellen um bis zu 30 % steigern können.
• Die beidseitige Beschichtung der Module mit Glas kann die Lebensdauer der Solarzellen verlängern, da sie die Anfälligkeit für UV-bedingte Alterungsprozesse verringert. Außerdem sind diese Produkte in der Regel mit einer längeren Herstellergarantie ausgestattet.
• Bifacial-Module sind in der Lage, auch bei schwachen oder diffusen Lichtverhältnissen, wie z.B. abends oder an bewölkten Tagen, gute Erträge zu erzielen. Durch die beidseitige Absorption von Licht sind diese Module in der Lage, auch bei schlechten Lichtverhältnissen effizient Strom zu erzeugen.

• Bifaziale Solarmodule sind aufgrund ihrer doppelten Absorptionsfläche und der komplexeren Konstruktion im Vergleich zu einseitigen Modulen tendenziell teurer. Diese höheren Kosten sind möglicherweise nicht immer gerechtfertigt, insbesondere wenn der Standort oder die Anwendung die Vorteile der Technologie nicht voll ausschöpft.
• Optimale Positionierung und Reflexion sind wichtige Faktoren, die bei der Anpassung des Standorts für PV-Module zu berücksichtigen sind, um die Vorteile der Technologie zu maximieren.
• Bifaziale PV-Module sind schwerer als herkömmliche Modelle, was die Planung und Installation komplexer machen kann.

Die Albedo des Untergrunds ist ein wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss, ebenso wie der Abstand zwischen den Modulen und der Untergrundoberfläche. Module, die näher am Boden positioniert sind, erhalten möglicherweise weniger reflektiertes Licht, was sich auf die Unterseite der Zellen auswirken kann.

Bifaziale PV-Module bringen auf Schrägdächern mit Ziegeleindeckung möglicherweise keinen nennenswerten zusätzlichen Ertrag, so dass die zusätzlichen Kosten in der Regel nicht gerechtfertigt sind. Auf Flachdächern, wo die Module oft schräg verlegt werden, sind die Voraussetzungen für einen höheren Wirkungsgrad besser. Allerdings sollte auf Flachdächern vor der Installation eine helle Folie verlegt werden, da das üblicherweise verwendete Bitumen eine geringe Albedo aufweist.

Bifacial-Module sind auf Dächern ohne Unterdach, wie Carports oder Terrassen, sehr effektiv. Sie eignen sich auch gut für Solarzäune, insbesondere wenn sie in Ost-West-Richtung ausgerichtet sind, um das Sonnenlicht zu maximieren.

Die Entscheidung für den Einsatz von bifacialen Modulen hängt von der jeweiligen Standort ab. Bei Interesse sollte man sich von einem Fachbetrieb beraten lassen und prüfen, ob diese Technologie für einen geeignet ist.

Bifaciale Zellen werden auf ähnliche Weise wie monofaciale Solarzellen hergestellt. Es sind jedoch drei zusätzliche Schritte erforderlich: Polieren, Passivierung und Öffnung für elektrische Kontakte auf der Rückseite. Anstelle einer vollflächigen Metallisierung mit Aluminium wird auf der Rückseite ein Metallisierungsgitter verwendet, das dem Muster auf der Vorderseite ähnelt.

Die bifacialen Module gibt es in rahmenloser Ausführung, entweder als Glas-Glas- oder als Glas-Folien-Module. Die Rückseite des Moduls muss transparent sein, um Sonnenlicht durchzulassen. Einige Module haben eine weiße Rückseitenfolie, die das von den Zellzwischenräumen reflektierte Licht nutzt. Glas ist das bevorzugte Rückseitenmaterial aufgrund seines Reflexionsvermögens und seiner Stabilität in Glas-Glas-Verbunden.

Bifaciale Solarmodule sind aufgrund ihres komplexen Produktionsprozesses etwas teurer als Standardmodule. Die Preise werden jedoch immer mehr angeglichen, da die Hersteller die effizienteren bifacialen Module den monofacialen vorziehen.

Im Folgenden stellen wir einige Solarmodul-Hersteller und Modelle von bifazialen Modulen vor.

SolarWorld

SolarWorld bietet das Sunmodule Bisun Modul mit bifacialen Zellen für 25 Prozent mehr Ertrag vor. Es hat 60 Zellen, basierend auf der PERC-Hochleistungszelle. Das Modul hat eine Mindestlebensdauergarantie von 30 Jahren. Laut SolarWorld behauptete senken diese Module die Stromgestehungskosten pro Kilowattstunde.

HT-SAAE „Milky Way"

HT-SAAE bietet das "Milky Way" N-Type PERT Solarmodul mit bifazialen monokristallinen Siliziumzellen an. Es erreichte in einem Test des TÜV Rheinland eine Rekordleistung von 345,7 Wp.

SI-Enduro Doppelglas-Modul

Die SI-Enduro-Serie der SI Module GmbH aus Freiburg verfügt über bifaziale Zellen in Doppelglasmodulen mit einer Leistung von bis zu 270 Wp. Die Module erfüllen mit ihrem 2 x 2 Millimeter TVG-Glas mit Antireflexionsbeschichtung die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung und sind somit für Überkopfbereiche, Absturzsicherung und Fassaden geeignet. Sie erzielen einen Mehrertrag von über 20 Prozent.

LG Electronics Bifacial-Modul

Das LG NeON 2 BiFacial ist eine Variante des LG NeON 2-Moduls mit einer lichtdurchlässigen Folie auf der Rückseite, die die Leistung bei optimalen Lichtverhältnissen um 75 Wp erhöhen kann. Daraus ergibt sich eine Gesamtleistung von bis zu 375 Wp bei einer Standardgröße von 1.640 × 1.000 Millimetern.

Der silberne Rahmen aus Aluminium verbessert die Stabilität der Module und reflektiert Licht, das in Strom umgewandelt werden kann. Die Module wiegen nur 17 Kilogramm und sind dank einer transparenten Folie 20 % leichter als herkömmliche Module. LG NeON 2 BiFacial-Module verfügen über eine zwölfjährige Produktgarantie und eine erweiterte Leistungsgarantie. Die jährliche Degradation wurde von -0,7 % auf -0,6 % pro Jahr reduziert und hält mindestens 25 Jahre lang an.

Sunpreme Bifacial-Modul

Sunpreme, ein Unternehmen mit Sitz in Sunnyvale, Kalifornien, bietet bifaciale Module an, die nach eigenen Angaben die leistungsstärksten der Welt sind und unter Standardtestbedingungen eine Solarleistung von 310 bis 500 Watt erzeugen. Die GxB310-Doppelglasmodule verfügen über 60 Zellen, haben einen Wirkungsgrad von 21,5 Prozent und sind auf hohe Zuverlässigkeit ausgelegt. Dank ihres rahmenlosen Designs benötigen diese Module keine Erdung, haben einen Temperaturkoeffizienten von -0,28 Prozent pro Grad Celsius und weisen eine hervorragende Leistung bei schwachem Licht auf.

Bifaziales Modul von Trina Solar

Trina Solar Limited stellte im Mai 2017 das bifaciale DUOMAX Twin-Modul vor. Es verfügt über bifaciale PERC-Solarzellen in einem Doppelglas-Design. Das Modul erzeugt sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Solarenergie, die auch bei schlechten Lichtverhältnissen gut funktioniert. Die Vorderseite fängt das direkte Sonnenlicht ein, während die Rückseite das reflektierte und gestreute Licht absorbiert.

Das DUOMAX Twin bietet im Vergleich zu Standardmodulen eine höhere Energiedichte und Ausgangsleistung bei vergleichbaren Systemkosten. Diese bifacialen Module sind vielseitig einsetzbar und eignen sich für verschiedene Installationsoptionen, einschließlich erhöhter Boden- oder Dachmontage, Systeme in Wüsten- oder Schneegebieten und den Einsatz über Wasserflächen.

Die bifaciale Zelle erhöht die Stromproduktion um zwei bis drei Prozent und benötigt eine geringere Installationsfläche. Damit eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise Agrar-PV. Herkömmliche Module sind bei diesen Anwendungen möglicherweise nicht so effizient.

Die bifaziale Technologie hat sich noch nicht auf dem Markt durchgesetzt. Namhafte Hersteller beginnen jedoch, bifaciale Solarzellen in ihre Produktpalette aufzunehmen, was darauf hindeutet, dass das Potenzial dieser Zellen möglicherweise unterschätzt wurde.

Es wird erwartet, dass die Preise für bifaciale Module irgendwann denen für herkömmliche Solarmodule entsprechen werden. Dies liegt daran, dass die Herstellungsprozesse ähnlich sind. Höhere Produktionsmengen werden aufgrund von Skaleneffekten zu Kostensenkungen führen.

Die Hersteller haben unterschiedliche Informationen über den bifacialen Ertrag. Nur das Energy Research Center of the Netherlands verfügt über zuverlässige Messungen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme entwickelt Programme zur Simulation der Einstrahlung auf die Rückseite bifacialer Solarzellen, da die vorhandenen Programme derzeit nur begrenzt einsetzbar sind.