Der Wirkungsgrad moderner Solarzellen – einfach und verständlich erklärt

Fotograf: Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons

Seit geraumer Zeit gehören Photovoltaikanlagen auf vielen Gebäuden und Grundstücken zum alltäglichen Bild. Sie sind ein Baustein der Energiewende und trugen im Jahr 2018 gut 7% (Quelle: Statistisches Bundesamt) zur Bruttostromerzeugung Deutschlands bei. Doch wie effektiv sind die Solarzellen, wie steht es um ihren Wirkungsgrad und den der gesamten Photovoltaikanlage? Wie unterscheiden sich die verschiedenen Typen von Solarzellen im Wirkungsgrad? Welche Einflussfaktoren gibt es? Diese und viel weitere Fragen werden wir Ihnen im folgenden Text beantworten.



Wie ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle definiert?

Eine Solarzelle hat die Aufgabe, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effektivität, mit der die Solarzelle arbeitet. Er ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie zur einstrahlenden Lichtenergie.

Je näher der Quotient aus beiden Leistungen am Maximum von 1 (=100%) liegt, desto höher ist der Wirkungsgrad der Solarzelle. Am Wirkungsgrad lässt sich ablesen, wie gut die Solarzelle die als Licht zur Verfügung stehende Energie verwertet. Dargestellt wird der Wirkungsgrad mit dem griechischen Zeichen „eta”.

Wovon hängt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab?

Bestimmender Faktor für den Wirkungsgrad von Solarzellen ist das verwendete Material. Derzeit werden vor allem Solarmodule aus Silizium angeboten. Es wird zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium unterschieden.

Monokristalline Module erreichen einen Wirkungsgrad von 20 – 22%, sind aber in der Fertigung energieaufwändiger und teurer. Polykristallines Silizium hat mit 15 – 20% einen niedrigeren Wirkungsgrad, die Module sind einfacher zu fertigen und nicht so teuer.

Weiterhin werden Dünnschichtmodule angeboten, bei denen auf einem Träger eine Schicht amorphen Siliziums aufgedampft ist, ähnlich der Fertigung von elektronischen Bauteilen. Diese sind einfach herzustellen – es kann auf erprobte Technik aus der Halbleiterfertigung zurückgegriffen werden – und dazu noch preiswert. Bei Wirkungsgraden von unter 10% kommen sie vor allem in Projekten zum Einsatz, bei denen genügend Fläche für die Anlage zur Verfügung steht.

Der unterschiedliche Wirkungsgrad erklärt sich aus Stromverlusten, die an den Grenzen der Kristallflächen auftreten. Dieser ist bei monokristallinem Silizium am geringsten.

Weitere Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad der Solarzellen sind die Temperatur der Module und die verarbeiteten Frequenzen des Lichtspektrums. Letztere bestimmen die physikalisch mögliche Grenze des Wirkungsgrades einer Solarzelle aus monokristallinem Silizium. Theoretisch sind 33% möglich, dieser Wert wird in der Praxis allerdings nicht erreicht.

Neuere Forschungen belegen, dass diese „Grenze” überwindbar ist, es wurden Module mit Wirkungsgraden von mehr als 40% entwickelt. Dieser hohe Wirkungsgrad wird erreicht, indem das Modul schichtweise aufgebaut wird, wobei die einzelnen Schichten in unterschiedlichen Bereichen des Lichtspektrums arbeiten.

Die nicht umgewandelten Teile des Lichts werden zur darunter liegenden Schicht durchgelassen und dort verarbeitet. Das führt zu einer insgesamt besseren Ausnutzung der verfügbaren Lichtleistung und zu einem höheren Wirkungsgrad des Gesamtmoduls.

Wirkungsgrad von Solarzellen

Bauart der SolarzelleWirkungsgrad
monokristallines Silizium20 – 22%
polykristallienes Silizium15 – 20%
amorphes Silizium8%
Zellen auf Basis von Kohlenstoff, GaAS, CIGS (haben derzeit nur geringe Bedeutung)2 – 25%

Warum hat eine Photovoltaikanlage einen niedrigeren Wirkungsgrad als eine Solarzelle?

Eine Solarzelle hat immer einen höheren Wirkungsgrad als eine Photovoltaikanlage. Die Verluste aller Bauteile einer Anlage fließen in die Berechnung des Gesamtwirkungsgrades mit ein. Im Wechselrichter wird Gleich- in Wechselstrom umgewandelt. Auch das ist mit Verlusten verbunden. Zusätzlich verringern Länge und Querschnitte von Verbindungsleitungen und lange Leitungen für Wechselstrom die Ausbeute.

Die Summe der Verluste einer Anlage können vier und mehr Prozent erreichen. Das scheint wenig zu sein, summiert sich aber im Lauf eines Anlagenlebens auf viele Kilowattstunden und schmälert so den Gesamtertrag. Daher ist beim Bau einer Solaranlage neben der Wahl der passenden Solarzellen (sprich: Module) auch die Auswahl der weiteren Bauteile wichtig.

Leistung und Ertrag einer Photovoltaikanlage

Neben dem Wirkungsgrad ist die Leistung einer Photovoltaikanlage für die Bauentscheidung sehr wichtig. Die Leistung einer Solarzelle oder einer ganzen Anlage hängt bei sonst gleichen Bedingungen vom Wirkungsgrad und der Grundfläche ab. Je größer der Wirkungsgrad, desto kleiner ist die für die gleiche Leistung benötigte Fläche.

Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage wird in Watt Peak (Wp) bzw. kW Peak (kWp) angegeben. Diese Angaben beziehen sich auf Messwerte aus standardisierten Testbedingungen (STC, standard test conditions). Die so erhaltenen Referenzwerte unter gleichen Bedingungen ermöglichen es, Module untereinander vergleichen zu können.

Aus der Nennleistung lässt sich der nominelle Ertrag der Photovoltaikanlage für ein Jahr bestimmen. Der tatsächliche Ertrag wird immer niedriger liegen, hängt er doch von vielen weiteren Faktoren wie der Sonneneinstrahlung, der Neigung, der Ausrichtung und den Umgebungstemperaturen ab. Auch die Meereshöhe, die Luftqualität und eventuelle Verschattungen beeinflussen den Ertrag.

Das Verhältnis zwischen tatsächlichem Ertrag und maximal technisch möglichem (nominalen) Ertrag einer Photovoltaikanlage wird auch als Performance Ratio bezeichnet. Dieser Wert liegt im Durchschnitt zwischen 65 und 75%, besonders effektive Anlagen kommen auf 80%.

Was muss vor dem Bau einer Photovoltaikanlage bedacht werden?

Die Absicht des Bauherrn beim Bau einer Photovoltaikanlage ist, über den Zeitraum des Betriebes der Anlage hinweg einen möglichst niedrigen Erzeugerpreis je kWh erzeugtem Strom zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es eine Reihe von möglichen Stellschrauben. Nicht alle Parameter können beeinflusst werden, weil eine Reihe davon schon durch den Standort der Anlage vorgegeben ist.

Da bei der Erzeugung von Solarstrom kaum laufende Kosten anfallen, können schon beim Bau die wesentlichen Weichen für günstig erzeugten Solarstrom gestellt werden.

Ein wichtiger Aspekt ist die zur Verfügung stehende Fläche. Je größer die bebaubare Fläche, desto größer ist der potentielle Ertrag der Anlage. Bei sonst gleichen Parametern wird der Strom je kWh bei größeren Anlagen immer günstiger erzeugt, da die Anschaffungskosten nicht proportional steigen.

Die Auswahl des Modultyps für die Anlage ist ein weiterer Faktor. Anschaffungskosten und Wirkungsgrad der verschiedenen Modultypen stehen im umgekehrten Verhältnis zueinander.

Mit günstigen Dünnschichtmodulen und größerer Fläche kann der gleiche Ertrag erzielt werden wie mit monokristallinen Siliziummodulen und entsprechend kleinerer Fläche. Es ist nicht der Wirkungsgrad allein, der den Bau effektiver Anlagen entscheidend beeinflusst.

Fazit

Für die Wahl des Solarzellentypes Ihrer Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad nicht der alleinig ausschlaggebende Faktor. Es sollten alle Randbedingungen beachtet werden und im Ergebnis die Solarzellen zum Einsatz kommen, die den insgesamt effektivsten Ertrag versprechen.


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