Bifaziale Module: Ist doppelseitige PV das Zukunftsthema?

Seit es die ersten kommerziellen Solarmodule gibt, wird daran gearbeitet, die Technologie noch effizienter zu machen, um die Erträge von Photovoltaikanlagen zu steigern. Bifaziale Solarmodule sind ein weiterer Schritt auf diesem Weg: Die Module erzeugen nicht nur auf der Vorderseite, sondern auch auf der Rückseite Strom. Wie das funktioniert, welche Herausforderungen es gibt und für welche Einsatzbereiche bifaziale Module besonders geeignet sind, klären wir in diesem Beitrag.

Was sind bifaziale Solarmodule?

Als bifazial oder bifacial bezeichnet man beidseitig photoaktive Solarmodule – also solche Module, die nicht nur auf ihrer Frontseite Strom erzeugen, sondern auch auf der Rückseite. Die Bezeichnung „bifazial“ setzt sich aus den lateinischen Begriffen „bi“ für „zwei“ und „facies“ für „Gesicht“ zusammen.

Damit diese beidseitige Stromerzeugung möglich ist, muss neben dem PV-Modulaufbau zudem die Solarzelle bifazial sein. Im Gegensatz zu monofazialen Solarzellen sind die Rückseitenkontakte dieser bifazialen Zellen so angepasst, dass auch über die Rückseite der Zellen Photonen aus dem Sonnenlicht in die Zelle eindringen und Spannung erzeugen können.

Entwicklungsgeschichte der bifazialen Technologie

Das Konzept der bifazialen Solarzellen ist um 1960 in Japan entstanden. Diese frühen bifazialen Zellen, bestehend aus zwei aufeinanderliegenden Solarzellen mit zwei Halbleiterdioden, wurden im Laufe der Jahre weiterentwickelt, bis zu den heute üblichen bifazialen Zellen mit modifizierten Rückseitenkontakten. Aufgrund ihrer in Kombination mit bifazialen Modulaufbauten potenziell höheren Leistung sind die beidseitig photoaktiven Solarzellen heute weit verbreitet. Der Branchenreport International Technology Roadmap for Photovoltaik des VDMA aus dem Jahr 2023 geht davon aus, dass aktuell rund 70 % der verkauften Solarmodule bifaziale Module sind.

Einen ausführlichen Überblick über die historische Entwicklung von Solarmodulen und die Trends in der Photovoltaik bekommen Sie in unserem Beitrag zur Geschichte der Photovoltaik.

Wie funktionieren bifaziale Module?

Bifaziale Solarzellen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie monofaziale Solarzellen: Treffen die Photonen aus dem Sonnenlicht auf die Oberfläche der Solarzelle, beginnen sich die Elektronen im Inneren der Zelle zu bewegen und erzeugen Spannung, die über die Kontakte als elektrischer Strom abgeleitet werden kann. 

Aber während Standard-Solarmodule (monofaziale Module) eine lichtundurchlässige Rückseite haben, ist die Rückseite bifazialer Module mindestens im Zellbereich transparent, in den meisten Fällen aus Glas, genau wie die Oberseite. Die Modulrückseite kann daher sowohl direktes als auch vom jeweiligen Untergrund reflektiertes Sonnenlicht aufnehmen und Strom daraus erzeugen.

Die folgende Grafik illustriert noch etwas detaillierter, wie bifaziale Solarmodule sowohl das direkte Sonnenlicht als auch das reflektierende Sonnenlicht zur PV-Strom-Erzeugung nutzen können.

Wie effektiv sind bifaziale Module?

Der Mehrertrag, den bifaziale Module gegenüber monofazialen Modulen liefern, ist hauptsächlich abhängig von den folgenden zwei Faktoren:

• Albedo-Effekt: Als „Albedo“ bezeichnet man das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden Oberflächen beispielsweise die Dachfläche, auf der die Solarmodule installiert sind. Helle Flächen wie Metalldächer haben eine höhere Albedo als klassische Ziegeldächer – hier liefern bifaziale Module höhere Erträge auf der Modulrückseite.
   
• Art der Installation: Je mehr Abstand die bifazialen Module von der Dachoberfläche haben, desto mehr reflektiertes Licht erreicht die Rückseite – und desto höher ist deren Photovoltaik-Leistung. Aus diesem Grund werden bifaziale Module auf dem Dach häufig stärker aufgeständert – oder sie bilden selbst die Bedachung, etwa bei Parkplatz-Überdachungen. Auch bei Freiflächenanlagen kommen heute größtenteils bifaziale Module zum Einsatz. In Kombination mit hellem Untergrund wie Schnee oder Kies, können bifaziale Module ihr Mehrertragspotential am besten ausspielen.

Was ist der Bifazialitätskoeffizient? 

Der Bifazialitätskoeffizient gibt an, wie hoch die Leistung der Rückseite im Vergleich zur Vorderseite des Moduls ist. Beim aktuellen marktüblichen Standard, einer bifazialen n-type TOPCon-Solarzelle (Tunnel-Oxide Passivated Contact) liegt der Bifazialitätskoeffizient bei rund 80 %. Das heißt, die Rückseite erzeugt bei gleicher Einstrahlung 80 % der Leistung der Vorderseite. 

Abhängig von Standort, Untergrund und Bifazialitätskoeffizient liefern bifaziale Modulen bis zu 30 % höhere Stromerträge als vergleichbare monofaziale Module. Der Bifazialitätskoeffizient der jeweiligen Module wird seit 2019 mit einem einheitlichen Testverfahren nach IEC 60904 Part 1-2  festgelegt, um die Leistung unterschiedlicher Module vergleichen zu können. Da aber die oben genannten Faktoren Einfluss auf die Leistung der Module haben, lässt sich der tatsächliche Mehrertrag bifazialer Module erst in der Praxis genau messen.

Wo werden bifaziale Module produziert? 

In den letzten Jahren ist der Markt für bifaziale Solarmodule stark gewachsen – auch im privaten Bereich werden die doppelseitigen Module zunehmend eingesetzt. Der Großteil der bifazialen Module wird in China und in den USA produziert. Aber auch in Europa sind namhafte Hersteller in die Produktion eingestiegen, unter anderem in Deutschland und Norwegen. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau geht in einem Branchenreport aus dem Jahr 2023 davon aus, dass der Marktanteil für bifaziale Module bis 2035 bei 90 % liegen könnte.
 

Welche Standorte sind für doppelseitige Module sinnvoll?

Bifaziale Solarmodule lohnen sich grundsätzlich an Standorten, an denen ein möglichst hoher Lichteinfall an der Modulrückseite gesichert ist – entweder durch ausreichend Abstand der Module zum Untergrund oder durch eine gute Albedo. Im Folgenden finden Sie einige optimale Installationsszenarien für doppelseitige Module.

Flachdächer

Auf Flachdächern müssen die Solarmodule aufgeständert werden. Daher haben sie deutlich mehr Abstand zum Untergrund als Module, die mit Rahmen auf klassischen Satteldächern installiert werden. Eine zusätzliche weiße Folienabdeckung auf dem Flachdach steigert die Albedo – und damit den PV-Ertrag.

Überdachungen

Hier kann auf Grund des höheren Abstands zum Boden besonders viel reflektiertes Licht die Modul-Unterseite erreichen. Typische Anwendungsbereiche sind zum Beispiel Terrassenüberdachungen, Carports oder überdachte Parkplätze.

Solarzäune

Bifaziale Module eignen sich ideal für vertikale PV-Anlagen, etwa bei Solarzäunen oder bei Agri-PV. Da sowohl direktes als auch reflektiertes Sonnenlicht beide Seiten der Module optimal erreicht, sind hier sehr gute Mehrerträge möglich. Außerdem kann hier durch eine Installation in Ost-West Ausrichtung die Kraft der Sonne direkt besser genutzt werden. Wir erinnern uns, selbst die Rückseite der Module kann 80 % der Vorderseitenleistung erzeugen. Auch, wenn diese im Dunkeln liegt.

Freiflächenanlagen

Auf dem Untergrund aufgeständerte Solarmodule können einen Großteil des reflektierten Sonnenlichts nutzen. In vielen Fällen werden Freiflächenanlagen mit transparenten Glas-Glas-Modulen auf landwirtschaftlichen Flächen sogar doppelt genutzt, zum Beispiel für die Stromerzeugung und gleichzeitig als Weide- oder Anbaufläche.

Fazit: Wie ist das Zukunftspotenzial von doppelseitiger Photovoltaik? 

Bifaziale Module gelten als einer der großen Trends in der Photovoltaik – das zeigen unter anderem die weltweit steigenden Produktionszahlen. In der Vergangenheit galt das allerdings in erster Linie für kommerzielle Freiflächenanlagen, die mit entsprechenden Unterkonstruktionen auf dem Boden installiert werden.

Mittlerweile ist der Preisunterschied zu monofazialen (Glas-Folien-Modulen) allerdings vernachlässigbar. Somit setzt sich dieser Trend auch bei privaten Photovoltaikanlagen durch. Somit setzt sich dieser Trend auch bei privaten Dachanlagen durch. Hier ist der Mehrertrag durch die Bifazialität in der Regel vernachlässigbar - anderseits profitiert man von vielen Vorteilen, welche ein Doppelglas Modul-Aufbau generell bietet.