Herstellung Solarmodule: Über Rohstoffe, Prozesse und die Ökobilanz

• Das Solarmodul bildet nichts anderes als die Schutzhülle für die Solarzellen - die wichtigste Komponente eines Solarmoduls.
• Die Zellen für Solardachziegel unterscheiden sich in erster Linie aufgrund ihres Formates von den Zellen in normalen Solarmodulen.
• Die meisten Solarzellen werden aus Silizium hergestellt, auch in Dünnschicht-Solarzellen wird es verwendet. 
• Organische Photovoltaikzellen bestehen aus kohlenstoffbasierten Molekülen oder Polymeren.
• Der Großteil der weltweiten Zellproduktion findet in China statt. 
• Trotz des hohen Energieaufwands in der Photovoltaik-Herstellung aufgrund des Schmelzprozesses für das Solarsilizium haben Solarzellen eine positive Energiebilanz.
• Innerhalb von ein bis drei Jahren haben sie die für ihre Herstellung benötigte Energie wieder reingeholt, produzieren aber noch viele weitere Jahre Solarstrom.
• Weiterentwickelte Recyclingverfahren verbessern die Ökobilanz von Solaranlagen und erhöhen den Anteil wiederverwendbarer Rohstoffe.

In der Herstellung von Photovoltaikmodulen kommen verschiedene Rohstoffe zum Einsatz, die jeweils spezielle Produktionsschritte durchlaufen. Die Hauptrohstoffe eines Solarmoduls sind:
 

• Silizium
  Der Hauptbestandteil der meisten Solarzellen ist Silizium, das aus Quarz oder Sand gewonnen wird. Durch Schmelzen bei etwa 2000 °C entsteht Rohsilizium, das anschließend zu hochreinem Silizium veredelt wird. Nur hochreines Silizium ist für die Herstellung von Solarwafern geeignet.
   
• Bor
  Zur Dotierung des Siliziums wird Bor verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit der Solarzellen zu verbessern. Das Dotieren ist ein Prozess, bei dem Bor-Atome in die Siliziumstruktur eingebracht werden, wodurch das Silizium p-typisch wird und positiv geladene Löcher als Ladungsträger aufweist. Einfach ausgedrückt: Winzige Bor-Teilchen werden in das Silizium eingebaut, wodurch im Silizium kleine, positiv geladene Lücken entstehen, die helfen, den Strom zu leiten.
   
• Aluminium
  Für die Herstellung der Modulrahmen sowie für die Herstellung von elektrischen Kontakten wird Aluminium verwendet. 
   
• Kupfer
  Kupfer findet in der Verkabelung und den Verbindungen innerhalb der Solarmodule Verwendung. Es wird durch Schmelz- und Elektrolyseverfahren aus Kupfererz gewonnen und anschließend zu dünnen Drähten und Leitungen innerhalb der Module verarbeitet.
   
• Glas 
  Glas dient als Schutzschicht auf der Vorderseite der Solarmodule. Es wird durch das Schmelzen von Quarzsand, Soda und Kalk hergestellt und schützt die Solarzellen vor Umwelteinflüssen.
   
• Kunststoffe
  Für die Rückseitenfolie sowie die Verkapselung der Solarmodule kommen verschiedene Kunststoffe zum Einsatz. Diese Kunststoffe, wie z.B. EVA (Ethylenvinylacetat), bieten eine wichtige Schutzfunktion gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastungen der Solarzellen.

Die Solarmodule Herstellung lässt sich nach der Rohstoffbeschaffung unterteilen in die Herstellung von:

• Solarsilizium und Ingots,
• Wafern,
• Solarzellen und schlussendlich
• von Solarstrommodulen.

Zusammen mit der Verkabelung und dem Solarglas bilden diese Komponenten am Ende des Fertigungsprozesses ein Solarmodul. 

Exkurs: Polykristallines und monokristallines Silizium für die Herstellung von Solarzellen

Ein Solardachziegel ist ein klassischer Dachziegel, der mit einem Solarmodul in einem speziellen Format verbunden wird. Er besteht aus drei Komponenten: Dem Tonziegel, dem Solarmodul und dem Steckverbinder, der für die Verkabelung benötigt wird.

Die Produktion dieser kleineren Solarmodule läuft genauso ab wie die Herstellung der “großen Verwandtschaft". Vorab werden zusätzlich die Dachziegel, die als Träger für das Solarmodul dienen, hergestellt. 

Solardachziegel mit Technologie von Autarq: Made in Europe

Mit der richtigen Technologie wird das Dach zum Stromlieferanten, mit der richtigen Lösung sieht das sogar gut aus. Anders als klassische Solarmodule integrieren sich Solardachziegel nahtlos in die Dacheindeckung und sorgen so für ein harmonisches Gesamtbild. Damit die kleinformatigen Solarzellen zum ästhetischen Stromerzeuger werden, erfolgt eine Veredelung der Qualitätsziegel mit Autarq-Technologie. Das passiert in drei Schritten:

1. Der ursprüngliche Dachziegel, ein geradliniger Tondachziegel, wird von namhaften Ziegelherstellern wie Creaton oder Jacobi Walther hergestellt und in das Autarq Werk in Prenzlau (Brandenburg) geliefert. Dort wird jeder Ziegel für die spätere Verkabelung der Solarmodule gebohrt.
    
2. Die eigens für die Ziegel konstruierten Solarmodule werden in Veszprém (Ungarn) mit einem engen Partner hergestellt. Im Grunde ist die Herstellung dieser Solarmodule vergleichbar mit der klassischer Solarmodule. Die besonders kleinteiligen Solarzellen aus monokristallinem Silizium werden allerdings mit einem Laser zugeschnitten und hinter Glas laminiert. Das Frontglas ist gehärtetes, strukturiertes Solarglas mit einer Dicke von 3,2 mm. Als Verbundstoffe kommen EVA, Polyolefine und Silikon zum Einsatz. Der Aluminiumrahmen, der in erster Linie für das Handling und die Installation nötig ist, entfällt bei Solardachziegeln. 
    
3. Die fertigen Solarmodule im Sonderformat werden in Prenzlau mit den vorgebohrten Dachziegeln verbunden und sind damit bereit für den Weitertransport zum Großhandel.

Mehr dazu: Solardachziegel: Effizient, attraktiv, fortschrittlich – und einfach zu verlegen 

Der überwiegende Teil der globalen Solarzellen-Herstellung befindet sich in der Volksrepublik China. Etwa 87 % des Solarzellen-Weltmarktes stammen von dort. Mit rund 4 % folgen die Niederlande, mit 3 % Taiwan. Vietnam und Malaysia tragen jeweils 2 % bei. Die restliche Produktionskapazität verteilt sich auf verschiedene andere Länder. Eine nennenswerte Solarzellen-Herstellung in Deutschland gibt es nicht mehr. 

Auch die anderen Komponenten für die Herstellung von Photovoltaikanlagen kommen größtenteils aus dem asiatischen Raum. Nur wenige Hersteller konnten sich gegen die überwiegend chinesische Konkurrenz behaupten und haben an eigenen Produktionsstätten etwa in Europa festgehalten. Autarq ist eines der wenigen Unternehmen, das seine Qualitätsmodule für Solardachziegel gemeinsam mit einem Partner in Europa herstellt. 

Gleich vorweg: Die Herstellung von Solarzellen ist an sich nicht umweltschädlich, wenn mit den eingesetzten Rohstoffen und Chemikalien verantwortungsvoll umgegangen wird. Der Schmelzprozess für die Herstellung des Siliziums benötigt zwar sehr viel Energie, doch die Energieerzeugung über die Lebenszeit eines Solarmoduls spielt diesen Verbrauch vielfach wieder ein. Die meisten Solarmodule haben die für ihre Herstellung benötigte Energie bereits nach ein bis drei Jahren erzeugt. Diese Faktoren spielen eine wichtige Rolle in der CO2-Bilanz der Photovoltaik-Herstellung:

• Verwendung von Chemikalien:
  In der Produktion werden verschiedene giftige Chemikalien verwendet, wie z.B. Flusssäure, die bei der Reinigung und Dotierung von Silizium eingesetzt werden. Unsachgemäße Handhabung oder Entsorgung dieser Chemikalien kann zu Umweltverschmutzungen führen.
   
• Materialverbrauch und Ressourcenabbau:
  Die Gewinnung von Rohstoffen wie Quarzsand für Silizium und anderen seltenen Erden, die in bestimmten Solarzellentechnologien verwendet werden, kann einen erheblichen Eingriff in die Natur bedeuten. Dazu gehören neben der Zerstörung der Landschaft auch der Wasserverbrauch sowie der Verlust von Biodiversität.
   
• Abfall und Recycling:
  Die Herstellung von Solarzellen erzeugt Abfall, einschließlich defekter oder nicht verwendbarer Module und Chemikalienabfällen. Obwohl Solarmodule in der Regel eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren haben, stellen ihre Entsorgung und das Recycling eine Herausforderung dar. Bisher können noch nicht alle Materialien effizient zurückgewonnen werden, sodass wertvolle Rohstoffe verloren gehen.

Solarmodule-Recycling: Für Privatpersonen kostenlos und einfach

Den Risiken und möglichen Nachteilen gegenüber stehen die positiven Eigenschaften von Solarlösungen wie:

• Energieamortisation:
  Abgesehen von dem hohen Energieaufwand in der Produktion erzeugen Solarzellen während ihres eigentlichen Betriebs keine Emissionen. Sie amortisieren die für ihre Herstellung benötigte Energie meist innerhalb von ein bis drei Jahren. Danach liefern sie für viele weitere Jahre saubere Energie und verbessern so die Gesamtbilanz.
   
• Reduktion von Treibhausgasen:
  Solarzellen tragen zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei, indem sie fossile Brennstoffe ersetzen. Dies führt langfristig zu einer geringeren Umweltbelastung und ist ein wichtiger Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung.
   
• Verbesserung der Herstellungsverfahren:
  Fortschritte in Technologie und Produktionstechnik haben die Energieeffizienz der Solarzellenherstellung stetig verbessert und den Einsatz schädlicher Chemikalien reduziert. Die Weiterentwicklung der Recyclingverfahren trägt ebenfalls dazu bei, mögliche Umweltauswirkungen am Ende der Lebensdauer von Solarmodulen zu minimieren.

Die Effizienz von Solarzellen hat seit Bestehen der Technologie wie auch in den letzten Jahren durch technologische Innovationen und neue Materialien signifikante Fortschritte gemacht. Einige der wichtigsten Entwicklungen und Ansätze zur Effizienzsteigerung bei Solarzellen sind: