01
Strom aus Sonnenlicht, ganz ohne bewegliche Teile
Sie sehen das Flachdach eines Hauses an einem klaren Frühlingstag. Drei Solarmodule stehen in einer Reihe auf einem schrägen Gestell und sind nach Süden ausgerichtet. Die Sonne geht im Osten auf, steigt bis zum Mittag und geht im Westen unter. Die Anzeige folgt dem Licht auf den Modulen und der Leistung, die sie liefern: nichts vor Sonnenaufgang, ein Höchstwert um die Mittagszeit, nichts nach Sonnenuntergang. An einem klaren Tag wie diesem erzeugt ein Modul etwa 2,3 bis 2,7 kWh. Rechnet man das echte Wetter mit ein, sind es an einem durchschnittlichen Märztag auf diesem Breitengrad etwa 1,8 bis 2,1 kWh.
In diesen Kapiteln nehmen wir das Modul am westlichen Ende der Reihe auseinander. Es ist ein typisches Dachmodul der frühen 2020er-Jahre, das JinkoSolar Tiger Neo mit 420 W. Es misst 1722 × 1134 mm und wiegt 22 kg. Unter 3,2 mm Glas liegen 108 Halbzellen aus Silizium, 6 nebeneinander und 18 übereinander. Das Modul hat keine beweglichen Teile und speichert nichts. Es erzeugt nur Strom, solange Licht darauf fällt. Neuere Module haben größere Zellen und Glas auf beiden Seiten, funktionieren aber genauso.
Auf dem Typenschild stehen 420 W. Das ist die Nennleistung des Moduls, gemessen unter einer Testsonne mit 1000 W/m² und bei 25 °C Zelltemperatur. In diesem Test wandelt es 21,5 Prozent des Lichts in Strom um. Auf einem echten Dach sieht es schlechter aus. Hier, auf 40° nördlicher Breite, erreichen an einem klaren Frühlingsmittag etwa 970 W/m² das Modul, und die Zellen werden viel wärmer als 25 °C. Deshalb liefert es etwa 380 W, 90 Prozent seiner Nennleistung. Wärme kostet Leistung, wie das letzte Kapitel zeigt.
Ein Modul erledigt drei Aufgaben. Es fängt Licht ein. Mit diesem Licht setzt es in seinem Silizium Elektronen frei. Dann sammelt es diese Elektronen zu einem Strom. Ein Kasten an der Wand, der Wechselrichter, macht daraus den Strom, den ein Haus nutzt. Die Kapitel weiter unten nehmen sich je einen Schritt vor. Ziehen Sie den Regler der Zeitleiste, um die Sonne zu bewegen, und ändern Sie die Wiedergabegeschwindigkeit, damit der Tag schneller oder langsamer vergeht. Ziehen Sie das Modell, um es zu drehen. Schalten Sie Sonnenbahn, vergrößerte Zelle, Stromfluss oder Beschriftungen ein, um mehr zu sehen.
02
Zur Mittagssonne geneigt
Das Modell zeigt die Tagundnachtgleiche, den Tag im März oder September, an dem Tag und Nacht etwa gleich lang sind. Auf 40° nördlicher Breite, etwa auf der Höhe von Madrid, Philadelphia oder Peking, geht die Sonne um 06:00 Uhr Sonnenzeit genau im Osten auf und um 18:00 Uhr genau im Westen unter. Die Sonnenzeit richtet sich nach der Sonne selbst: Mittag ist genau dann, wenn sie am höchsten steht. Heute sind das 50° über dem Südhorizont. Die Module sind nach Süden gerichtet und neigen sich dieser Mittagssonne entgegen.
Licht, das schräg auf eine Oberfläche trifft, verteilt sich über eine größere Fläche, und jeder Quadratmeter bekommt weniger ab. Richten Sie eine Taschenlampe gerade auf eine Wand und kippen Sie sie dann: Der Lichtfleck wird größer und schwächer. Das ist das Kosinusgesetz, und deshalb ist der Winkel zwischen Sonne und Modul so wichtig. Mittags trifft das Sonnenlicht fast senkrecht auf dieses Modul. Früh und spät am Tag fällt es sehr schräg ein und verteilt sich dünn.
Auch die Luft spielt eine Rolle. Mittags durchquert das Sonnenlicht 1,3-mal so viel Luft wie bei einer Sonne, die senkrecht über uns steht. Diese Zahl heißt Luftmasse. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang legt das Licht einen viel längeren Weg durch die Luft zurück. Die Luft streut dabei viel vom blauen Licht weg. Darum sieht eine tief stehende Sonne orange und rot aus, und es kommt viel weniger Energie an. Mittags erreichen etwa 970 W/m² dieses Modul. Läge es flach auf dem Dach oder stünde es senkrecht wie eine Wand, bekäme es weniger ab.
An der Tagundnachtgleiche entspricht die beste Neigung dem Breitengrad, also 40°, und die 35° dieses Moduls sind fast genauso gut. Dachmodule folgen der Sonne nicht: Auf einem Wohnhaus lohnen sich Motoren dafür selten, sie sind zu teuer und zu schwer. Etwas Licht kommt auch vom ganzen Himmel, nicht nur von der Sonnenscheibe. Dieses diffuse Licht ist der Grund, warum Wolken den Ertrag senken, ihn aber nicht auf null bringen. Das Modell zeigt einen klaren Lehrbuchhimmel ohne Wolken und ohne Schattenwurf. Verstellen Sie die Neigung oder springen Sie zu drei Momenten des Tages.
03
Ein Sandwich, das vor allem aus Glas besteht
Nehmen Sie das Modul auseinander, und Sie finden ein Sandwich, von vorn nach hinten aufgebaut. Ganz oben liegen 3,2 mm gehärtetes eisenarmes Glas. Hersteller wählen es, weil es günstig, fest, beständig und sehr klar ist. Das Härten macht es so robust, dass es Schnee tragen kann. Das Glas hat eine eigene Antireflexschicht, damit weniger Licht an seiner Oberfläche abprallt und mehr davon bei den Zellen ankommt. Hier und in der vergrößerten Zelle sind die dünnen Schichten viel dicker gezeichnet, als sie wirklich sind.
Unter dem Glas liegt eine klare, klebrige Folie, die Einbettfolie. Meist besteht sie aus einem Kunststoff namens EVA. In der Fabrik wird der ganze Stapel erhitzt, und die Folie verbindet die Schichten zu einem dichten Block ohne Luft und Wasser darin. Dann kommen die Zellen: Siliziumscheiben, etwa ein Siebtel Millimeter dick. Dünne Drähte laufen quer darüber und leiten den Strom ab. Dieses Modul nutzt viele dünne runde Drähte statt weniger flacher Streifen. Unter den Zellen liegt eine zweite Einbettfolie.
Hinten schließt eine robuste Kunststofffolie das Modul ab, die Rückseitenfolie. Sie hält Feuchtigkeit fern und isoliert die Leitungen. Ein eloxierter Aluminiumrahmen umschließt die Ränder, versteift das Modul und gibt den Montageklemmen Halt. Auf der Rückseite sitzt die Anschlussdose, wo die Leitungen zu den Kabeln herauskommen. Sie enthält auch drei Bypass-Dioden, die das Kapitel über die Verschaltung erklärt. Nach Gewicht besteht das Modul etwa zu drei Vierteln aus Glas. Das Silizium, das die ganze Arbeit macht, ist nur ein kleiner Teil davon.
Die Zellen sehen fast schwarz aus. Blankes Silizium glänzt und wirft viel Licht zurück. Deshalb wird die Oberfläche jeder Zelle zu winzigen Pyramiden geätzt und mit einer dünnen Schicht aus Siliziumnitrid überzogen. Die Dicke dieser Schicht ist so abgestimmt, dass sie sehr wenig reflektiert, und sie bestimmt auch die Farbe, die Sie sehen. Schwarz heißt nicht besser: Die ganz schwarze Version dieses Moduls hat eine etwas geringere Nennleistung. Ziehen Sie die Schichten auseinander und wählen Sie eine aus, um zu sehen, woraus sie besteht und was sie tut.
04
Ein Photon, ein Elektron
Licht kommt in winzigen Energiepaketen, den Photonen. Schluckt das Silizium ein Photon, kann dieses ein Elektron aus seiner Bindung lösen. Das Elektron kann nun frei durch den Kristall wandern. Zurück bleibt eine Lücke, ein sogenanntes Loch, und auch das Loch wandert, wie eine Blase im Wasser. Ein Photon befreit höchstens ein Elektron. In voller Sonne setzt eine Halbzelle jede Sekunde etwa 4 × 10¹⁹ Elektronen frei. Die vergrößerte Zelle über dem Modul zeigt einen Schnitt durch eine Zelle bei der Arbeit.
Ein Photon braucht mindestens 1,12 eV, um ein Elektron zu befreien. Das ist die Bandlücke von Silizium. Je blauer das Licht, desto mehr Energie trägt jedes Photon: 3,1 eV bei 400 nm, 2,1 eV bei 600 nm, 1,24 eV bei 1000 nm. Jenseits von etwa 1100 nm sind die Photonen zu schwach und gehen glatt hindurch. Das sind etwa 19 Prozent der Energie im Sonnenlicht und ein Drittel seiner Photonen. Blauere Photonen bringen mehr mit, als sie brauchen, und der Überschuss wird zu Wärme, etwa 30 Prozent des Sonnenlichts. Diese beiden Verluste sind der Hauptgrund, warum eine Zelle aus einem einzigen Material nicht über etwa 33 Prozent hinauskommt.
Jede Farbe wird in ihrer eigenen Tiefe geschluckt. Blaues Licht mit 400 nm ist schon in den ersten 0,1 µm absorbiert. Rotes Licht mit 680 nm kommt etwa 4,5 µm weit. Infrarot mit 1000 nm dringt 156 µm tief ein, tiefer als die ganze 140 µm dicke Scheibe. Deshalb setzt die Zelle auf Lichteinfang: Die Pyramiden lenken das Licht schräg hinein, und die Rückseite der Zelle wirft es für einen zweiten Durchgang zurück. Mehr als 29,4 Prozent Wirkungsgrad sind mit Silizium nicht möglich. Die beste Siliziumzelle hat 28,1 Prozent erreicht. Ein typisches neues Modul schafft etwa 22 bis 23 Prozent.
Befreite Elektronen und Löcher müssen sortiert werden, bevor sie wieder zueinanderfinden. Die Zelle hat eine Schicht, die Elektronen hinauslässt, aber Löcher blockiert, und eine andere, die es umgekehrt macht. Diese Schichten wirken wie Einbahnstraßen, und so sammeln sich die Elektronen auf der einen Seite und die Löcher auf der anderen. Dieses Ungleichgewicht ist die Spannung, etwa 0,7 V pro Zelle. In dieser n-Typ-Zelle gehen die Elektronen hinten hinaus, die Löcher vorn durch die Silberfinger. Der Schnitt zeigt einen einzigen Finger und keinen Sammeldraht. Schieben Sie den Regler durch die Farben des Lichts und sehen Sie, wo jede Farbe geschluckt wird.
05
Die schwächste Zelle gibt den Takt vor
Eine Zelle liefert nur etwa 0,7 V, viel zu wenig, um etwas zu betreiben. Deshalb werden die Zellen in Reihe geschaltet, wie die Glieder einer Kette, und ihre Spannungen addieren sich. Dieses Modul hat 54 Zellpositionen, eine hinter der anderen. Das ergibt 38,1 V, wenn nichts angeschlossen ist, und 31,5 V am besten Arbeitspunkt. Durch jede Position fließt derselbe Strom, bei voller Leistung unter der Testsonne etwa 13,3 A. Die Elektronen selbst kriechen nur dahin, etwa einen Millimeter pro Sekunde oder langsamer. Schnell unterwegs ist die Energie.
Eine Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Liegt eine Zelle im Schatten, liefert sie weniger Strom und bremst alle anderen. Die sonnigen Zellen können sogar Strom rückwärts durch sie hindurchzwingen und ihre Leistung in dieser einen Zelle in Wärme verwandeln: ein Hotspot. Deshalb enthält die Anschlussdose drei Bypass-Dioden, die jeweils ein Drittel des Moduls schützen. In voller Sonne bleiben sie aus. Bremst Schatten eines dieser Drittel zu stark, schaltet sich dessen Diode ein. Der Strom fließt dann an diesem Drittel vorbei und verliert dabei etwa 0,4 V. Eine ganz verschattete Zelle kostet so etwa ein Drittel der Leistung, nicht alles.
Dieses Modul nutzt halbierte Zellen: Jede Zelle ist in zwei Hälften geteilt. Die obere und die untere Hälfte des Moduls sind parallel geschaltet, und so ergeben die 108 Halbzellen weiterhin 54 Positionen in Reihe. Die Spannung bleibt gleich, und jede Halbzelle führt nur den halben Strom, darum verlieren die Drähte weniger Leistung als Wärme. Der große Gewinn kommt, sobald Schatten die ganze Unterkante bedeckt. Jedes Drittel des Moduls hat einen oberen und einen unteren Strang, und die oberen Stränge arbeiten weiter, mit etwa der halben Leistung. Ein älteres Modul mit 60 Zellen, hier in derselben Größe gezeichnet, behält fast nichts: Alle drei seiner Drittel reichen bis in den Schatten.
Das Diagramm zeigt den Strom des Moduls über seiner Spannung. Ist nichts angeschlossen, ist die Spannung am höchsten, und es fließt kein Strom. Verbinden Sie die beiden Leitungen, dann ist der Strom am höchsten und die Spannung null. Die Leistung ist das Produkt aus beiden. Sie erreicht ihr Maximum an einer Stelle im Knick der Kurve: dem Punkt maximaler Leistung, kurz MPP. Schatten bringt Stufen und zusätzliche Gipfel in die Kurve. In einem echten Modul laufen die Leitungen hinter den Zellen; hier ist jeder Strang eine farbige Linie auf der Vorderseite. Der Schatten fällt schräg ein, darum wird zuerst eine Ecke dunkel. Wählen Sie eine Bauweise, lassen Sie den Schatten heraufkriechen und sehen Sie zu, wie ein Drittel nach dem anderen ausfällt.
06
Vom Dach bis zur Steckdose
Das Modul erzeugt Gleichstrom, DC, der nur in eine Richtung fließt. Ein Haus läuft mit Wechselstrom, AC, der viele Male pro Sekunde die Richtung wechselt. Der Kasten an der Wand, der Wechselrichter, wandelt das eine in das andere um. Er erzeugt keinen Strom und speichert auch keinen. Er gibt etwa 96 Prozent dessen weiter, was hereinkommt. Der Rest geht als etwas Wärme verloren. Die bernsteinfarbenen Punkte zeigen, wohin die Energie fließt: Gleichstrom vom Modul zum Wechselrichter, dann Wechselstrom weiter zum Zähler und ins Haus.
Der Wechselrichter hält das Modul auch an seinem besten Punkt. Dieser Punkt maximaler Leistung wandert den ganzen Tag: Die Spannung ändert sich mit der Zelltemperatur, der Strom mit dem Licht. Also tastet sich der Wechselrichter heran. Fachleute nennen das MPP-Tracking. Er verstellt die Spannung ein kleines Stück und prüft die Leistung. Ist sie gestiegen, verstellt er weiter in dieselbe Richtung. Ist sie gefallen, kehrt er um. Wie ein Wanderer, der im Nebel einen Hügel hinaufsteigt, bleibt er immer nah am Gipfel.
Wärme ist der Feind eines Moduls. Für jedes Grad über 25 °C verliert dieses Modul 0,29 Prozent seiner Leistung. Diese Zahl ist sein Temperaturkoeffizient. Ältere PERC-Module verlieren 0,35 Prozent. An einem sonnigen Tag erreichen die Zellen etwa 45 bis 65 °C. Das ist der Hauptgrund, warum dieser klare Frühlingsmittag etwa 380 W bringt, nicht 420. Ein heißes Dach im Sommer kostet noch mehr. Ein kalter, klarer Tag ist also besser als ein heißer: Module laufen mit Licht, nicht mit Wärme. Die Lufttemperatur im Modell entspricht einem milden Frühlingstag.
Die Energie eines klaren Frühlingstags könnte einen Kühlschrank etwa zwei Tage lang betreiben oder einen Laptop rund 50-mal aufladen. In einem Jahr erzeugt ein Modul auf diesem Breitengrad etwa 600 bis 700 kWh. Jedes Kilowatt Modulleistung liefert im Jahr etwa 1000 kWh in London oder Berlin und 1800 in Phoenix. Die Garantie verspricht nach 30 Jahren noch 87,4 Prozent der Leistung. Ein Modul holt die Energie für seine Herstellung in etwa einem Jahr wieder herein. Über seine Lebensdauer verursacht es etwa 40 g CO₂ pro kWh. 2025 kamen etwa 8,7 Prozent des weltweiten Stroms aus Solarenergie. Verstellen Sie die Temperatur oder lassen Sie sie dem Tag folgen.