Monokristalline Solarzellen: Aufbau, Wirkungsgrad, Vor- und Nachteile

Kai Janßen
Juli 8, 2021
Kategorie: Solarzellen

Monokristalline Solarzellen sind die effizienteste Art von Solarzellen auf dem heutigen Markt. Sie sind teuer, verfügen jedoch über eine hohen Wirkungsgrad und liefern daher mehr Strom pro Flächeneinheit. Kein Wunder, schließlich sind sie ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt worden.

Der folgende Artikel wird alles über monokristalline Solarzellen erforschen, damit Sie entscheiden können, ob dies die richtige Option für Ihre Photovoltaikanlage ist.

Was sind monokristalline Solarzellen?

Die meisten für Privatanwender am Markt verfügbaren Solarzellen basieren auf Siliziumhalbleitern. Die Halbleiter monokristalliner Solarzellen werden, wie es der Name bereits vermuten lässt, aus einem einzelnen Siliziumkristall hergestellt. Ungefähr 60 dieser Solarzellen werden dabei zu einem rechteckigen Solarmodul verbunden.

Monokristalline Solarzellen sind derzeit sehr beliebt und nehmen einen Marktanteil von rund 33% ein. Für die Zukunft wird sogar mit einer weiteren Steigerung des Marktanteils kalkuliert.

Die einzelnen Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die kleine "Kraftwerke" der PV-Anlage sind. Erfahren Sie alles über Solarzellen und lernen über den Aufbau, die Funktionsweise und welche Arten es gibt.

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Wie werden monokristalline Solarzellen hergestellt?

Für die Herstellung monokristalliner Solarzellen werden aus extrem reinen, flüssigen Silizium Stäbe gezogen. Diese Stäbe bestehen dabei jeweils aus nur einem einzigen Kristall. Da diese Siliziumstäbe in ihrer Form immer leicht voneinander abweichen, werden ihre Seiten vor der weiteren Verarbeitung abgeschnitten. So entstehen einheitliche Siliziumstäbe in einer genormten Größe.

Von diesen Stäben werden einzelne extrem dünne Schichten, sogenannte Wafer, abgeschnitten. Jeder dieser Wafer bildet dann das Herzstück einer einzelnen Solarzelle.

Um monokristalline Siliziumstäbe ohne Verschmutzungen produzieren zu können, wird im „Czochralski-Verfahren“ ein Impfkristall aus Silizium in das flüssige Silizium getaucht. An diesem Kristallisationskeim lagern sich dann weitere Schichten Silizium an. Dadurch wächst der Kristall zu einem Stab an.

Neben diesem Produktionsverfahren gibt es noch weitere Techniken für die Herstellung monokristalliner Solarzellen, die allerdings allesamt deutlich teurer sind. Deshalb ist das „Czochralski-Verfahren“ das Verfahren der Wahl zur Herstellung von monokristallinen Solarzellen für den Massenmarkt.

Monokristallines Solarmodul

Werden die Wafer vom Siliziumstab abgeschnitten, entsteht durch das Sägen ein hoher Verlust durch die anfallenden Siliziumspäne.

Um diese Problematik zu umgehen, können monokristalline Siliziumwafer auch mittels des „String-Ribbon-Verfahrens“ hergestellt werden. Hierbei werden Drähte durch geschmolzenes Silizium gezogen. Zwischen diesen Drähten bildet sich ein Siliziumband, das im weiteren Verlauf zu feinen Siliziumwafern verarbeitet werden kann.

Durch dieses Produktionsverfahren kann bis zu 50 % Silizium im Vergleich zum Sägen der Wafer eingespart werden. Somit fallen zum einen die Produktionskosten der Wafer deutlich niedriger aus. Zum anderen verbessert sich auch der ökologische Fußabdruck durch diese ressourcensparende Produktionsweise.

Welche Vorteile haben monokristalline Solarzellen?

Monokristalline Solarzellen besitzen einen sehr hohen Wirkungsgrad. Dies ist darauf zurückzuführen, dass keine Energieverluste beim Übergang zwischen einzelnen Siliziumkristallen im Wafer auftreten können. Durch ihren hohen Wirkungsgrad von ungefähr 20% kann mithilfe monokristalliner Solarzellen die Stromproduktion auf einer vorgegebenen Fläche maximiert werden. 

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle determiniert die Effizienz, mit der aus dem einfallenden Sonnenlicht Strom erzeugt werden kann. 

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Bei voller Sonneneinstrahlung entfalten monokristalline Solarzellen ihr komplettes Potenzial und können vergleichsweise viel Strom liefern. Deshalb werden diese Solarzellen besonders gerne auf Dächern, die nach Süden ausgerichtet sind und bei denen keine Verschattung zu befürchten ist, eingesetzt.

Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen, wenn die Aufstellfläche sehr begrenzt ist oder wenn eine besonders hohe Strommenge produziert werden soll.

Welche Nachteile weisen monokristalline Solarzellen auf?

Der aufwendige Herstellungsprozess in Verbindung mit dem hohen Ressourcenanspruch macht monokristalline Solarzellen im Vergleich zu polykristallinen Zellen teuer.

Aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit am Markt und des geringen Preises erfreuen sich polykristalline Solarzellen einer großen Beliebtheit und nehmen derzeit einen Marktanteil von circa 70% ein.

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Diese hohen Kosten lohnen sich nur, wenn eine Anlage auf Basis monokristalliner Solarzellen über die gesamte Nutzungsdauer eine hohe Sonneneinstrahlung erfährt und die Vorteile bezüglich des Wirkungsgrads voll ausgeschöpft werden können.

Da bei der Produktion von monokristallinen Solarzellen hohe Mengen an Silizium benötigt werden, verschlechtert sich zudem ihr ökologischer Fußabdruck. Dementsprechend wird eine relativ lange Zeit benötigt, bis sich da Anlagen energetisch amortisiert haben. Erst ab dem Amortisationspunkt haben die Solaranlagen mehr Energie produziert, als für ihre Herstellung aufgewendet werden musste. 

Die hohe Menge an benötigtem Silizium bedingt auch das relativ hohe Gewicht dieses Solarzellentyps.

Nachteile weisen monokristalline Solarzellen auch bei schlechten Lichtverhältnissen auf. Denn bei diffusem Licht produzieren monokristalline Solarzellen deutlich weniger Strom, da sie in solchen Fällen ihren Effizienzvorteil nicht voll ausschöpfen können.

Vor- und Nachteile von monokristallinen Solarzellen

Vorteile

  • Hoher Wirkungsgrad von bis zu 30% 
  • Sehr langlebig
  • Leistungsbereich bis ca. 400 W
  • Platzersparnis und für kleinere Dächer geeignet

Nachteile

  • Hohes Gewicht im Vergleich zu anderen Zellarten
  • Teuer in der Anschaffung
  • Schlechterer ökologischer Abdruck
  • Einbußen bei schlechtem Licht

Für welche Einsatzzwecke eignen sich monokristalline Solarzellen?

Da monokristalline Solarzellen relativ schwer sind, eignen sich nur Standorte mit einer entsprechenden Traglast für ihren Betrieb. Für einen wirtschaftlichen Betrieb sollten außerdem bevorzugt Standorte mit einer hohen Sonneneinstrahlung gewählt werden.

Insbesondere Standorte in Südausrichtung und mit möglichst geringer Beschattung eignen sich deshalb besonders für monokristalline Siliziumzellen. Um das volle Leistungspotenzial auszuschöpfen, können monokristalline Solarzellen auch mit einer Nachführung betrieben werden.

Photovoltaikanlage mit Südausrichtung

Da Solarmodule aus vielen einzelnen Solarzellen, die miteinander verbunden sind, bestehen, beeinflusst die Leistung einer einzelnen Zelle die Leistung der anderen mit ihr verbundenen Zellen. Dies liegt daran, dass das „schwächste Glied“ der jeweiligen Kette den Stromdurchfluss determiniert.

Wird eine häufige Teilverschattung beim Betrieb einer monokristallinen Solaranlage erwartet, sollte deshalb über die Installation eines Leistungsoptimierers nachgedacht werden. Dieser sorgt dafür, dass beschattete Solarzellen „umgangen“ werden und dadurch die Nachbarzellen nicht negativ beeinflussen.

Solche Leistungsoptimierer eignen sich besonders für monokristalline Zellen, da so ihr hoher Wirkungsgrad nicht so stark reduziert wird wie beim Fehlen dieses technischen Geräts.

Werden monokristalline Solarzellen nicht optimal betrieben, schlagen die hohen Anschaffungskosten besonders ins Kontor. Deshalb sollte vor der Anschaffung einer Photovoltaikanlage genau abgewogen werden, wie der erzeugte Strom genutzt werden soll.

Da die Einspeisevergütung für Solarstrom in den letzten Jahren erheblich reduziert wurde, lohnt es sich häufig besonders den erzeugten Strom selbst zu verbrauchen. Hierdurch können die hohen Endkundenpreise für Strom eingespart werden.

Wenn Sie eine Solaranlage anschaffen möchten, dann müssen Sie sich auch mit der Einspeisevergütung auseinandersetzen. Aber was ist eine Einspeisevergütung überhaupt? 

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Dienen monokristalline Solarzellen zu einem großen Anteil zur Deckung des eigenen Strombedarfs, lohnt sich ihre Anschaffung deshalb in besonders hohem Maße. Denn durch den hohen Wirkungsgrad sorgen sie dafür, dass deutlich weniger Strom teuer zugekauft werden muss.

Bei dieser Rechnung muss allerdings vorab kalkuliert werden, wann mit welchem Strombedarf gerechnet werden kann. Insbesondere in den Mittagsstunden produziert die Solaranlage viel Strom. Wer dann nicht zu Hause ist, kann den Strom auch nicht in vollem Umfang selbst nutzen und muss ihn für die verhältnismäßig kleine Einspeisevergütung verkaufen.

Nutzer, die zumeist tagsüber den Strom nicht selbst nutzen können, sollten deshalb über geeignete Speichersysteme oder über den Betrieb von anderen, billigeren Solarzellentypen nachdenken.