Der Wirkungsgrad moderner Solarzellen – einfach und verständlich erklärt

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

Für den Ertrag einer Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad der Solarzellen entscheidend. Was genau sagt dieser Wert aus? Wie unterscheiden sich die Wirkungsgrade der verschiedenen Typen von Solarzellen? Welche Einflussfaktoren gibt es? Diese und viele weitere Fragen werden wir im folgenden Text beantworten.



Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Eine Solarzelle hat die Aufgabe, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz, 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 also ablesen, wie gut eine Solarzelle die als Licht zur Verfügung stehende Energie verwertet.

Was sind typische Wirkungsgrade von Solarzellen?

Bestimmender Faktor für den Wirkungsgrad von Solarzellen ist das verwendete Material. Derzeit werden vor allem Solarmodule aus Silizium angeboten. Bei den kristallinen Dickschichtmodulen unterscheidet man zwischen Solarpanelen auf Basis von monokristallinem (= einkristallinem) und polykristallinem (= mehrkristallinem) Silizium.

  • 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 dafür einfacher zu fertigen und nicht so teuer.

Weiterhin werden Dünnschichtmodule angeboten, bei denen auf einem Träger eine Schicht amorphen, also nicht-kristallinen, 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.

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%

Was sind Einflussfaktoren für den Wirkungsgrad?

Bei Dickschichtmodulen erklärt sich der unterschiedliche Wirkungsgrad 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.

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 etwa Gleich- in Wechselstrom umgewandelt, was mit Verlusten verbunden ist. Zusätzlich verringern große Länge und Querschnitte von Kabeln die Stromausbeute.

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: Solarpanele) 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 Kilowatt Peak (kWp) angegeben. Sie basiert auf der Nennleistung der Solarpanele, die in Watt Peak (Wp) beziffert wird. Diese wird unter standardisierten Testbedingungen (STC, standard test conditions) ermittelt und im Datenblatt der Solarmodule angegeben. 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?

Ziel ist es, über den Zeitraum des Betriebes der eigenen Photovoltaikanlage hinweg einen möglichst niedrigen Erzeugerpreis je Kilowattstunde erzeugtem Strom zu erzielen. Dieser Preis ist auch bekannt als Stromgestehungskosten. 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 Kilowattstunde 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. Für Eigenheime sind mittlerweile Solarpanele auf Basis von monokristallinem Silizium der Standard, da sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

Fazit

Für den Ertrag Deiner Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad der Solarmodule ein wichtiger Faktor. Darüber hinaus spielen aber auch die belegte Dachfläche sowie Ausrichtung und Neigung der Module eine wichtige Rolle. Wir bei EIGENSONNE beraten Dich gerne dazu, wie Du das meiste aus Deiner Solaranlage rausholst.


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