Polykristallin

Polykristallin – Definition

„Poly“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „viel“ oder „mehrere“. Polykristallin bezeichnet Materialien, die aus einer Vielzahl einzelner Kristallkörner aufgebaut sind. Jedes dieser Körner besitzt eine regelmäßige Kristallstruktur, kann jedoch eine andere räumliche Orientierung als die benachbarten Körner aufweisen. Zwischen den Körnern liegen Korngrenzen, an denen die jeweilige Kristallorientierung wechselt. Polykristalline Strukturen kommen unter anderem bei Metallen, Keramiken und Halbleitern wie Silizium vor.

Polykristallin – Herstellung

Polykristallines Silizium entsteht durch die kontrollierte Erstarrung von geschmolzenem Silizium. Dabei bilden sich zahlreiche Kristallkörner, die mit unterschiedlichen Orientierungen zusammenwachsen. Für die Herstellung von Siliziumblöcken wurden verschiedene Gieß- und Erstarrungsverfahren eingesetzt.

Blockgussverfahren

Beim Blockguss wird die Siliziumschmelze in eine separate Form beziehungsweise Kokille eingebracht und dort erstarrt. Dabei entstehen zahlreiche Kristallkörner, die gemeinsam einen polykristallinen Block bilden. Das Verfahren stellt eine frühe Form der Herstellung großer polykristalliner Siliziumblöcke dar.

Gerichtete Erstarrung

Bei der gerichteten Erstarrung wird die Schmelze kontrolliert abgekühlt, sodass die Kristallisation gezielt in eine bestimmte Richtung fortschreitet. Das Silizium schmilzt und erstarrt dabei typischerweise im selben Tiegel. Verfahren wie das Directional Solidification System (DSS) und die Heat-Exchanger-Methode (HEM) wurden für die industrielle Herstellung multikristalliner Siliziumblöcke eingesetzt.

Elektromagnetisches Gießen

Beim elektromagnetischen Gießen wird die Siliziumschmelze durch elektromagnetische Felder beeinflusst und kontrolliert erstarrt. Dadurch kann der Kontakt zwischen flüssigem Silizium und Tiegel reduziert oder vermieden werden. Das Verfahren wurde für multikristallines Silizium untersucht und eingesetzt, blieb gegenüber der gerichteten Erstarrung jedoch ein Nischenverfahren.

Polykristalline Solarmodule und Solarzellen

Die erstarrten Siliziumblöcke werden zunächst in dünne Wafer gesägt und gereinigt. Anschließend werden die Wafer texturiert, dotiert und mit Passivierungs- und Antireflexionsschichten versehen sowie elektrisch kontaktiert. Bei polykristallinen Wafern wird typischerweise eine saure Texturierung eingesetzt, da die Kristallkörner unterschiedliche Orientierungen besitzen und sich die für monokristallines Silizium übliche alkalische Pyramidentextur nicht einheitlich ausbilden lässt. Die fertigen Solarzellen werden anschließend zu Modulen verschaltet.

Eigenschaften und Werte polykristalliner Solarmodule

Da polykristalline Solarmodule heute kaum noch neu produziert werden, beziehen sich die folgenden Werte vor allem auf ältere Modulgenerationen und Bestandsanlagen (Stand: September 2026).

Aussehen und Aufbau

• Material: Silizium aus vielen einzelnen Kristallkörnern mit unterschiedlichen kristallografischen Orientierungen
• Herstellung: kontrollierte Erstarrung von geschmolzenem Silizium zu einem polykristallinen Block
• Farbe: typischerweise blau mit sichtbarer, gesprenkelter Kristallstruktur
• Zellform: meist quadratisch, ohne abgeschrägte Ecken

Die gesprenkelte Struktur entsteht durch die unterschiedlichen Kristallkörner und ihre Orientierungen. Die typische blaue Farbe wird dagegen vor allem durch die Antireflexschicht aus Siliziumnitrid und die optischen Eigenschaften der texturierten Oberfläche bestimmt.

Wirkungsgrad und Leistung

• Modulwirkungsgrad: ca. 15-18 %, bei späteren Generationen mit PERC-Technologie bis etwa 20 %
• Leistungsdichte des Moduls: ca. 150-190 W/m²
• Leistung pro Modul: häufig ca. 250-350 Wp, abhängig von Zellgröße und Modulaufbau

An den Korngrenzen können zusätzliche Rekombinationsverluste auftreten. Dadurch ist die elektrische Leistungsfähigkeit gegenüber modernen monokristallinen Zelltechnologien begrenzt und für dieselbe Anlagenleistung wird mehr Modulfläche benötigt.

Verhalten bei Hitze

• Leistungsverlust: ca. 0,38-0,45 % pro °C über 25 °C Zelltemperatur
• An heißen Sommertagen kann die Leistung dadurch rund 15-18 % unter der Nennleistung liegen.

Der tatsächliche Leistungsverlust hängt von der erreichten Zelltemperatur und dem jeweiligen Zell- und Modulaufbau ab.

Bifazialität

Polykristalline Module wurden überwiegend monofazial mit lichtundurchlässiger Rückseite gefertigt. Die Solarzellen nutzen dabei hauptsächlich die Einstrahlung auf der Vorderseite. Bifaziale Ausführungen waren bei dieser Zelltechnologie kaum verbreitet.

Lebensdauer und Alterung

• Lebensdauer: häufig 25-30 Jahre
• Leistungsgarantie: meist ca. 25 Jahre
• Degradation im ersten Jahr: ca. 2-3 %
• Degradation danach: ca. 0,5-0,7 % pro Jahr

Bei bestimmten älteren p-Typ-Zelltechnologien, insbesondere PERC, konnte zusätzlich eine erhöhte Degradation durch LeTID auftreten. Die tatsächliche Alterung hängt vom Zelltyp, der Modulqualität und den Betriebsbedingungen ab.

Markt und Verfügbarkeit polykristalliner Technologien

Polykristalline Solarmodule waren über viele Jahre eine kostengünstige und weit verbreitete Technologie. Mit der Einführung des Diamantdrahtsägens konnten jedoch auch monokristalline Wafer deutlich kostengünstiger hergestellt werden. Gleichzeitig ermöglichten Zelltechnologien wie PERC höhere Wirkungsgrade auf monokristallinem Silizium. Auch bei polykristallinen Wafern veränderte das Diamantdrahtsägen die Produktionsbedingungen. Die dadurch glatteren Waferoberflächen erschwerten die für polykristallines Silizium übliche saure Texturierung, wodurch sich der technologische Vorteil der polykristallinen Fertigung weiter verringerte.

Dadurch verlor die polykristalline Technologie zunehmend ihren Kostenvorteil. Heute werden polykristalline Module kaum noch für neue Photovoltaikanlagen produziert und sind vor allem in bestehenden Anlagen und auf dem Gebrauchtmarkt zu finden.

Polykristalline Solarzellen – Vorteile

Die Vorteile polykristalliner Solarzellen lagen vor allem in ihrer effizienten und vergleichsweise kostengünstigen Herstellung. Sie waren insbesondere in einer Zeit relevant, in der monokristalline Siliziumtechnologien noch höhere Produktionskosten aufwiesen.

Einfachere und kostengünstige Herstellung

Für polykristalline Siliziumblöcke muss kein großer Einkristall gezogen werden. Die Schmelze kann kontrolliert erstarren, wodurch große Blöcke vergleichsweise einfach hergestellt werden konnten. Dies führte über viele Jahre zu einem Kostenvorteil gegenüber monokristallinen Modulen.

Geringerer Materialverschnitt

Die quadratische Blockform lässt sich gut in quadratische Wafer aufteilen, sodass die geometrischen Verluste runder Einkristall-Ingots entfallen. Lediglich stärker verunreinigte Rand- und Bodenbereiche werden abgetrennt.

Bewährte Produktionstechnik

Polykristalline Solarzellen wurden über viele Jahre in großen Stückzahlen gefertigt. Die Produktionsverfahren waren entsprechend etabliert und auf eine industrielle Massenproduktion ausgelegt.

Polykristalline Solarzellen – Nachteile

Die wesentlichen Nachteile ergeben sich aus der polykristallinen Struktur und dem geringeren Wirkungsgrad. Hinzu kommen Nachteile bei Temperaturverhalten und Alterung sowie die inzwischen geringe Bedeutung der Technologie.

Geringerer Wirkungsgrad

Die Korngrenzen zwischen den Kristallkörnern können zusätzliche elektrische Verluste verursachen. Dadurch erreichen polykristalline Solarzellen geringere Wirkungsgrade als moderne monokristalline Zelltechnologien.

Höherer Flächenbedarf

Durch den geringeren Wirkungsgrad wird für eine bestimmte Anlagenleistung mehr Modulfläche benötigt. Dies kann insbesondere bei begrenzten Dachflächen relevant sein.

Schlechteres Verhalten bei hohen Temperaturen

Der Temperaturkoeffizient polykristalliner Solarzellen liegt typischerweise bei etwa −0,38 bis −0,45 % pro °C. Bei hohen Zelltemperaturen fällt die Leistung dadurch stärker ab als bei vielen modernen monokristallinen n-Typ-Technologien.

Höhere Degradation bei bestimmten Zelltechnologien

Ältere polykristalline PERC-Zellen konnten eine erhöhte Degradation durch LeTID aufweisen. Dadurch konnte die Leistung im Laufe der Betriebszeit stärker zurückgehen als bei modernen n-Typ-Zellen.

Geringe Bedeutung für die Weiterentwicklung

Die industrielle Entwicklung konzentriert sich heute auf monokristalline Zellarchitekturen. Technologien wie TOPCon, HJT und IBC werden überwiegend auf monokristallinen Siliziumwafern umgesetzt, während polykristalline Zellkonzepte kaum noch weiterentwickelt werden.

Eingeschränkte Verfügbarkeit

Da polykristalline Module kaum noch neu produziert werden, sind sie heute nur noch begrenzt erhältlich. Bei Ersatz in älteren Anlagen können passende Module mit vergleichbaren Abmessungen und elektrischen Kennwerten schwieriger zu finden sein.

Anwendungsbereiche polykristalliner Solarmodule

Polykristalline Solarmodule wurden über viele Jahre in privaten, gewerblichen und industriellen Photovoltaikanlagen sowie in größeren Freiflächenanlagen eingesetzt. Sie kamen sowohl auf Wohn- und Gewerbegebäuden als auch bei großflächigen Solarparks zum Einsatz und sind heute hauptsächlich noch in bestehenden Photovoltaikanlagen zu finden.

Monokristallin oder polykristallin?

Beide Technologien basieren auf kristallinem Silizium, unterscheiden sich jedoch bei Kristallstruktur, Wirkungsgrad, Temperaturverhalten und heutiger Marktbedeutung. Die wichtigsten Unterschiede sind:

• Kristallstruktur: Monokristallin besteht aus einem durchgehenden Einkristall, polykristallin aus vielen unterschiedlich orientierten Kristallkörnern.
• Wirkungsgrad: Moderne monokristalline Module erreichen typischerweise ca. 20-25 %, polykristalline Module meist ca. 15-18 %.
• Flächenbedarf: Für dieselbe Leistung benötigen polykristalline Module aufgrund des geringeren Wirkungsgrads mehr Fläche.
• Optik: Monokristalline Module sind meist dunkel bis schwarz und gleichmäßig, polykristalline Module typischerweise blau mit sichtbarer kristalliner Struktur.
• Hitzeverhalten: Polykristalline Module weisen typischerweise einen Temperaturkoeffizienten von ca. −0,38 bis −0,45 %/°C auf, monokristalline Module insgesamt etwa −0,24 bis −0,40 %/°C. Moderne n-Typ-Technologien liegen häufig bei etwa −0,24 bis −0,32 %/°C.
• Alterung: Polykristalline Module weisen typischerweise eine Degradation von ca. 0,5-0,7 % pro Jahr auf; moderne monokristalline n-Typ-Module liegen häufig bei etwa 0,3-0,55 % pro Jahr.
• Herstellung: Polykristallines Silizium wird durch kontrollierte Erstarrung zu Blöcken verarbeitet, während monokristallines Silizium als Einkristall gezüchtet wird.
• Materialausnutzung: Die quadratische Form polykristalliner Blöcke ermöglicht eine gute Ausnutzung des Siliziummaterials bei der Waferherstellung.
• Zelltechnologien: Moderne Technologien wie TOPCon, HJT und IBC werden überwiegend auf monokristallinen Siliziumwafern umgesetzt.
• Marktbedeutung: Monokristalline Module werden heute überwiegend für neue Photovoltaikanlagen eingesetzt, während polykristalline Module hauptsächlich in Bestandsanlagen zu finden sind.