Degradation Photovoltaik: Diesen Einfluss hat der Leistungsverlust auf die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage

In der Photovoltaik bezeichnet Degradation den allmählichen Leistungsverlust von Solarzellen und -modulen, verursacht durch Faktoren wie Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Temperaturschwankungen. Dieser natürliche Alterungsprozess beeinflusst die Menge an erzeugtem Solarstrom und sollte bei der Beurteilung der langfristigen Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage berücksichtigt werden. Die Degradation kann je nach Zelltyp, Umweltbedingungen und Qualität der Komponenten variieren. In der Regel liegt sie bei etwa 0,5 bis 1 Prozent pro Jahr. Da es sich um einen fortlaufenden Prozess handelt, wird hierbei auch von einer Langzeitdegradation gesprochen. Der tatsächliche Leistungsverlust einer Solaranlage kann über regelmäßige Wartungen kontrolliert werden. 

Anfangsdegradation und Lichtinduzierte Degradation (LID)

Die Anfangsdegradation tritt direkt nach der Installation der Solaranlage auf, wenn zum ersten Mal Lichtstrahlen auf die Solarzellen treffen. Anders als die Langzeitdegradation ist sie ein “Einmaleffekt”, der nur mit der ersten Bestrahlung auftritt. Der Leistungsabfall hält für einen gewissen Zeitraum an, stabilisiert sich anschließend und hat danach keinen Einfluss mehr auf die Zellleistung. Der Effekt ist Herstellern bekannt und wird für gewöhnlich bereits bei der Nennleistung von Solarlösungen berücksichtigt. Heißt: Die im Datenblatt ausgewiesene Leistung der Solarzellen wird unter Einberechnung der erwarteten Anfangsdegradation erreicht. Die Anlage erbringt zum Installationszeitpunkt also eine höhere Leistung als im Datenblatt ausgewiesen.

Da die erstmalige Bestrahlung mit Licht die Anfangsdegradation auslöst, wird diese auch Lichtinduzierte Degradation (LID) genannt. Generell betrifft dieses Phänomen sowohl kristalline Solarzellen, als auch amorphe Zellen (Dünnschicht-Technologie). Der Effekt ist allerdings bei Dünnschicht-Zellen deutlich stärker ausgeprägt – bis zu 25 Prozent Leistungsverlust für die ersten 1000 Betriebsstunden –, während kristalline Zellen kaum bzw. nur stark abgeschwächt betroffen sind. Dazu zählen auch Solardachziegel, die mit kristallinen Solarzellen bestückt sind. Überhaupt nicht betroffen von der LID sind CIS-Module, die aufgrund ihrer Zusammensetzung aus Kupfer (Cu), Indium (I) und Selen (S) resistent sind.

Potenzial-induzierter Degradation (PID)

Die potentialinduzierte Degradation (PID) ist ein Phänomen, das insbesondere Solarzellen aus kristallinem Silizium betrifft. PID tritt aufgrund von Spannungsunterschieden zwischen dem geerdeten Aluminiumrahmen und den Solarzellen in den Modulen auf. Solardachziegel sind trotz kristalliner Zellen aufgrund ihres etwas anderen Aufbaus – es fehlt der geerdete Metallrahmen – im Gegensatz zu Solarstrommodulen nicht so anfällig für die potentialinduzierte Degradation. Der Effekt der PID führt zu einer Bewegung von Ladungsträgern in den Modulen, was sich wiederum vor allem bei schwachem Licht (Einstrahlungen unter 1.000 W/m2) negativ auf die Leistungsfähigkeit der Module auswirkt. Verschiedene Faktoren, wie verwendete Materialien, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Zelltyp, entscheiden darüber, wie stark die Schädigung ausfällt. PID tritt vor allem dann auf, wenn Solarmodule in einer feuchten Umgebung und bei hohen Systemspannungen betrieben werden. 

Solarzellen unterliegen – wie alles im Leben – einem natürlichen Alterungsprozess. Verantwortlich dafür sind in erster Linie Verhärtungen im Halbleitermaterial. Diese entstehen unter anderem durch starke Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise während einem Sommergewitter auftreten können: Durch die Sonneneinstrahlung ist die Temperatur im Solarmodul hoch, teilweise bis zu 70 °C. Kühlt es durch einen Wetterumbruch schlagartig ab, entstehen mit der Zeit kristalline Verhärtungen. Diese wiederum führen zu einer Drosselung des Elektronenflusses und damit zu einer stetigen Minderung des Ertrages. Neben Temperaturschwankungen und einer nicht unerheblichen UV-Strahlung müssen die Solarzellen weitere mechanische Belastungen durch Regen, Schnee, Frost und Hagel aushalten.

Gibt es weitere Alterserscheinungen bei Photovoltaik?

Nicht nur die Solarzellen nutzen sich im Laufe der Jahre ab, auch andere Anlagenkomponenten sind von Altersschwäche betroffen. Beispielsweise Wechselrichter. Abhängig vom Installationsort liegt seine Lebensdauer bei 10 bis 15 Jahren. Unter Berücksichtigung einer ungefähren Solaranlagen-Lebensdauer von 30 Jahren muss der Wechselrichter also wenigstens einmal ausgetauscht werden, um weiterhin zuverlässig Strom zu erzeugen und einzuspeisen. 

Gibt es Unterschiede in der Degradation bei Solardachziegeln und Photovoltaikmodulen?

Degradation ist Degradation – egal, ob Solarmodul oder Solardachziegel. Allerdings kann die Ausprägung der Degradation zwischen Solarstrommodul und Solardachziegeln unterschiedlich stark sein. Solardachziegel sind anders aufgebaut als klassische Solarmodule. Sie werden nicht auf dem Dach installiert, sondern bilden die Dacheindeckung. Dadurch unterscheidet sich beispielsweise die Art, wie Wärme abgeleitet wird. Eine bessere Wärmeableitung kann die Lebensdauer von Solarzellen verlängern bzw. den Effekt der Degradation dämpfen. Auch die Intensität, mit der Solarzellen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, wirkt sich auf die Degradation aus, ebenso die Wahl der eingesetzten und verwendeten Materialien. Oder die Art und Weise, wie die Solardachziegel geschaltet sind. Die Solardachziegel des Herstellers Autarq werden beispielsweise parallel verschaltet und nicht in Reihe, so dass die potentialinduzierte Degradation weniger problematisch für diese Solardachziegel ist. Grundsätzlich lässt sich aber festhalten, dass Solardachziegel ebenso wie Solarmodule einer PV-Degradation unterliegen.

Die Degradation von Solarzellen hat Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit einer Solarstromanlage. Allerdings sind diese weniger gravierend, als viele annehmen. Der Amortisationszeitpunkt einer Anlage verschiebt sich durch den Leistungsverlust der Anlage zwar etwas nach hinten – wirtschaftlich sind Solarmodule und Solardachziegel aber trotzdem. Zumal sowohl Solardachziegel als auch klassische Solaranlagen nicht nach 20 Jahren schlagartig den Betrieb einstellen und aufhören, sauberen Sonnenstrom zu erzeugen.

Beispielrechnung: Einspeisevergütung für eine Solaranlage mit Volleinspeisung – mit und ohne PV Degradation 

Bei der Referenzanlage für unseren Vergleich handelt es sich um ein Reihenendhaus inkl. Gaube auf einer Seite, mit Süd-West-Ausrichtung und einer nutzbaren Dachfläche von 100 qm (50 qm je Dachseite). Nach einer Komplettsanierung wird das Dach neu mit Solardachziegeln eingedeckt. Mit dem Autarq-Konfigurator ergibt sich hierfür eine mögliche Anlagengröße von 9,6 kWp und eine jährliche Stromerzeugung von 7.463,54 Kilowattstunden Solarstrom.

Für den Vergleich betrachten wir einmal 20 Jahre Laufzeit mit Volleinspeisung ohne Degradation sowie mit einer eher unwahrscheinlichen Degradation von 1 Prozent im Jahr:

Vergleichsrechnung: Teileinspeisung und Eigenverbrauch von Solarstrom unter Berücksichtigung der Degradation 

Statt 100 Prozent Solarstrom wie in der vorangegangenen Rechnung werden in diesem Modell nur 40 Prozent eingespeist. Die restlichen 60 Prozent werden direkt am Erzeugungsort verbraucht. Dieser Ansatz ist realistischer und sinnvoller für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Anlage, da die Einspeisevergütung mittlerweile nicht mehr so hoch ist wie noch zur Einführung der Solarförderung. Ein weiterer Punkt, der für einen hohen Eigenverbrauchsanteil insbesondere für Privatpersonen spricht: Die steigenden Preise für Strom aus dem Netz.

Erfahrungen zeigen übrigens, dass Solaranlagen nach 20 Jahren zwar weniger leistungsfähiger sind als zum Installationszeitpunkt, aber dennoch 30 Jahre und länger zuverlässig Solarstrom produzieren. Insbesondere hochwertige Solardachziegel sind, wie ihr Ziegel-Pendant ohne Solarzellen, darauf ausgelegt, ein Dach für 30 Jahre und mehr zu decken – und Strom zu produzieren. Übrigens ein großer Vorteil von Solardachziegeln gegenüber klassischen Solarstrommodulen: Zeigen sich bei einzelnen Solardachziegeln irgendwann Alterserscheinungen, können die betroffenen Ziegel unkompliziert ohne großen (Kosten-)Aufwand ausgetauscht werden. 

Mehr dazu: Solardachziegel decken jedes Dach

Degradation Photovoltaik: Welche Garantien geben Hersteller auf Solarzellen?

Die meisten Hersteller von Solarmodulen oder Solardachziegeln geben Käufer:innen eine sogenannte Leistungsgarantie. Darüber definieren die Anbieter, welche Mindestleistung die eingesetzten Solarzellen nach einer bestimmten Laufzeit noch erbringen sollten. Liegt die tatsächlich nachgewiesene Leistung darunter und ist der Leistungsabfall eindeutig auf eine Degradation zurückzuführen, greift die Garantie. Beschädigungen, Installationsfehler oder Verschmutzungen sind hierüber nicht abgedeckt.

Am häufigsten vertreten ist am Markt eine Leistungsgarantie von 80 Prozent nach 25 Jahren. Einige Hersteller für Solarstrommodule gewähren auch eine lineare Leistungsgarantie über 30 Jahre, bei der sie mit einem jährlichen Leistungsverlust von 0,5 bis 0,7 Prozent rechnen. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Einbußen über diesen Zeitraum meist zwischen 10 und 13 Prozent bewegen – deutlich über dem, was als Maximalleistung von Herstellerseite aus angegeben wird.

Doch wie so oft, lohnt sich im Bezug auf die Leistungsgarantie ein Blick ins Kleingedruckte: Da es sich bei der Leistungsgarantie um eine freiwillige Leistung handelt, entscheidet der Hersteller frei über die Formulierung und Festlegung der Garantiebedingungen. Sie greift beispielsweise nur, wenn die Leistungsminderung auch wirklich auf eine Degradation der Solarzellen zurückgeht – was für Hausbesitzer:innen und private Anlagenbetreiber:innen nicht so einfach nachzuweisen ist und in der Regel mit Kosten einhergeht. Zudem kann in den Garantiebedingungen festgehalten sein, dass der Hersteller im Garantiefall nur einen anteiligen Restwert erstattet. Wieder andere Hersteller nehmen Anlagenbetreiber:innen in die Pflicht und verlangen, dass diese die für die Garantieabwicklung anfallenden Kosten übernehmen. In diesem Fall ist die Leistungsgarantie durch den Hersteller für Endverbraucher:innen tatsächlich nutzlos und nichts als Augenwischerei.

Kann man die PV-Degradation minimieren?

Es gibt verschiedene Faktoren, die einen Einfluss auf die Photovoltaik-Degradation haben und die unter Umständen dazu beitragen können, die negativen Auswirkungen zu reduzieren.

Um die Leistungsfähigkeit der eigenen Solaranlage im Blick zu haben, bieten sich Anlagenbetreiber:innen verschiedene Möglichkeiten. Die vermutlich günstigste: Regelmäßig den Stromzähler ablesen, den Zählerstand notieren und vergleichen. Weniger aufwändig und einfacher im Handling sind Datenlogger, die unterschiedliche Kennwerte der Solaranlage erfassen, speichern und bei Bedarf auswerten. Der Datenabruf erfolgt dabei meist per App auf dem Smartphone und ist so von überall und jederzeit möglich. Es gibt alternativ auch Wechselrichter, die über eingebaute Displays Anlagendaten bereitstellen und so Anlagenbetreiber:innen einen Überblick über die Leistung ihrer Solaranlage bieten.

Neben dem, was Anlagenbetreiber:innen selbst überwachen können, empfiehlt es sich für klassische PV-Anlagen auch regelmäßig eine Wartung der Anlage durchführen zu lassen. So fallen mögliche Schwachstellen wie hartnäckige Verschmutzungen oder nicht entdeckte Verschattungen auf, bevor sie einen gravierenden Einfluss auf die Anlagenperformanz haben. Der Wartungsbedarf für Solardachziegel ist hingegen deutlich geringer, zudem sind sie allgemein weniger anfällig für Störungen.  

Mehr dazu: Wartungsarm und effizient: Solardachziegel decken jedes Dach

In den vergangenen Jahren haben sich Solardachziegel wie auch Solarmodule konsequent weiterentwickelt. Nicht nur die Effizienz von Solarzellen wurde spürbar gesteigert, so dass auf der gleichen Fläche mehr Solarstrom erzeugt werden kann. Solarprodukte insgesamt haben sich durch Optimierungen in der Produktion und im Herstellungsprozess verbessert. Sei es ein effizienteres Schwachlichtverhalten, robustere Eigenschaften gegenüber Wind und Schnee oder eine verbesserte Wärmeableitung. Hersteller haben zudem bereits Maßnahmen innerhalb des Produktionsprozesses entwickelt und eingeführt, um auch die potentialinduzierte Degradation ihrer Produkte zu minimieren. Wir können mit gutem Gewissen davon ausgehen, dass die nächsten Generationen Solardächer noch länger sauberen Solarstrom erzeugen werden, als ihre Vorgänger.