Effiziente Energieerzeugung: Wirkungsgrad von Solarzellen einfach erklärt
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist ausschlaggebend dafür, wie viel Stromertrag Sie mit Ihrer PV-Anlage erzeugen können. In den vergangenen Jahren ist er dank der konsequenten Forschung und Weiterentwicklung der Solarzellentechnologie konstant gestiegen. In diesem Beitrag erfahren Sie, was Ihnen der Solarzellen-Wirkungsgrad verrät, wie sich die verschiedenen Arten von Zellen in ihrem Wirkungsgrad unterscheiden und welche Verlustfaktoren zu berücksichtigen sind.
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Definition: Wirkungsgrad einer Solarzelle
Ein Wirkungsgrad gibt stets das Verhältnis zwischen der eingesetzten Energie und der hinterher nutzbaren Energie an. Bezogen auf eine Solarzelle bedeutet der Wirkungsgrad, welchen Teil der auf sie eintreffenden Sonnenstrahlen die Zelle in elektrischen Strom umwandeln kann. Ein Wirkungsgrad von 20 Prozent bedeutet zum Beispiel, dass die PV-Anlage etwa ein Fünftel der auftreffenden Energie für die Stromerzeugung nutzen kann.
Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist, desto mehr Energie kann sie produzieren und desto weniger Dachfläche benötigen Sie, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Je kleiner die zur Verfügung stehende Fläche ausfällt, umso wichtiger ist daher ein hoher Wirkungsgrad.
Die Effizienz der Solarmodule variiert abhängig davon, um welche Art von Solarzellen es sich handelt. Die folgende Tabelle zeigt den Solarzellen-Wirkungsgrad der gängigsten Solarmodule:
| Art der Solarzelle | Modulwirkungsgrad |
|---|---|
| Polykristalline Solarmodule | 14 bis 20 Prozent |
| Monokristalline Solarmodule | 16 bis 24 Prozent |
| Amorphe Dünnschichtmodule | 8 bis 16 Prozent |
| Organische Dünnschichtmodule | 8 bis 10 Prozent |
Auch die Art des PV-Moduls hat Auswirkungen auf deren Wirkungsgrad. Glas-Folie-Module weisen eine Leistung zwischen 14 und 22 Prozent auf. Bei Glas-Glas-Solarzellen dürfen Sie mit 16 bis 24 Prozent Wirkungsgrad rechnen. Full-Black-Module haben einen geringfügig niedrigeren Wirkungsgrad als helle Module. Mit rund 0,4 Prozent ist der Unterschied allerdings überschaubar.
Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Anschaffungskosten
Dass sich nicht jeder Anlagenbesitzer für monokristalline Solarzellen mit dem höchsten Wirkungsgrad entscheidet, hängt mit der Wirtschaftlichkeit der Anlage zusammen. Grob zusammengefasst, dürfen Sie von Folgendem ausgehen: Je höher der Wirkungsgrad ist, umso höher sind auch die Anschaffungskosten.
Günstige Technologien wie Dünnschichtmodule kommen überwiegend bei Projekten zum Einsatz, bei denen die Fläche kein begrenzender Faktor ist (z. B. in Solarparks, auf dem Dach einer Industriehalle). Die günstigeren Anschaffungskosten machen den geringen Solarzellen-Wirkungsgrad wett. Auf kleineren Flächen, beispielsweise auf dem Dach eines Einfamilienhauses, ist ein hoher Wirkungsgrad des PV-Moduls wichtig. So nutzen Sie die begrenzte Dachfläche für die maximale Leistung der Solarmodule aus.
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Wirkungsgrad Solarzellen vs. Photovoltaikanlage
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist nur bedingt aussagekräftig. Der vom Hersteller angegebene Wert wird unter Laborbedingungen ermittelt. Die hier angesetzten optimalen 25° C herrschen in der Praxis selten vor, und so weicht die tatsächliche Leistung eines Solarmoduls mitunter stark ab. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle eignet sich zwar, um verschiedene Arten von Solarmodulen zu vergleichen, nicht aber, um die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage in ihrer Gesamtheit zu beurteilen.
Als zusätzliche Messgröße hat sich daher inzwischen die sogenannte „Performance-Ratio“ (deutsch: Leistungsverhältnis) durchgesetzt. Sie setzt die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage ins Verhältnis zum theoretisch möglichen Ertrag. Die theoretische Leistung orientiert sich am Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen. Hingegen variiert die tatsächliche Leistung abhängig von einer Vielzahl von äußeren Faktoren wie der Ausrichtung des PV-Systems, möglichen Verschattungen oder Verschmutzungen und sogar dem Aufbau der Verkabelung.
Um die Performance-Ratio zu ermitteln, lesen Sie zunächst am Zähler des PV-Systems den tatsächlichen Ertrag ab. Diesen teilen Sie durch den maximal möglichen Stromertrag der Anlage. Heraus kommt eine prozentuale Angabe des Anlagenwirkungsgrads. Anhand dieses Werts können Sie den Ertrag Ihrer Photovoltaikanlage auch mit der des Nachbarn vergleichen. In der Regel bewegt sich der Anlagenwirkungsgrad zwischen 65 und 75 Prozent.
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Verlustfaktoren für den Wirkungsgrad einer PV-Anlage
Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, die den Wirkungsgrad Ihrer PV-Anlage (negativ) beeinflussen. Dazu gehören:
- Geografischer Standort: Wie viel Strom eine PV-Anlage konkret erzielen kann, hängt von der Globalstrahlung ab. Diese unterscheidet sich je nach Standort. In Deutschland liegt sie durchschnittlich bei rund 1.000 kWh/m² im Jahr. Sie variiert allerdings zwischen etwa 1.200 kWh/m² im Süden Deutschlands und 900 kWh/m² im Norden.
- Standortbedingungen: Unabhängig von der geografischen Lage spielt auch der Standort der Anlage selbst eine Rolle. Insbesondere Verschattungen können den Wirkungsgrad schmälern. Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern werden meist in Reihe geschaltet. Diese Installation führt dazu, dass ein einzelnes verschattetes Modul auch die Leistung der anderen PV-Module schmälert, wenn keine PV-Optimierer eingesetzt werden.
- Verschmutzung: Verschmutzungen durch Laub oder Vogelkot ebenso wie auf den PV-Modulen liegender Schnee kann den Wirkungsgrad der Solarzellen auf dieselbe Art und Weise beeinträchtigen wie eine Verschattung.
- Ausrichtung: Sie können den Wirkungsgrad einer PV-Anlage optimieren mit Süd-Ausrichtung. Doch auch mit einer Ost-West-Ausrichtung lassen sich noch bis zu 95 Prozent des maximal möglichen Ertrags erzielen. Deutlich geschmälert wird der Ertrag, wenn sich die Ausrichtung in Richtung Norden verschiebt.
- Modulneigung: Bei den meisten Installationen ist eine Modulneigung von 30 bis 35 Grad optimal. Das Sonnenlicht trifft dann in möglichst langen Phasen mit einem 90°-Winkel auf die Solarzellen und der Ertrag wird optimiert. Je nach geografischer Lage können aber auch andere Neigungswinkel empfehlenswert sein. Der Wirkungsgrad senkrecht montierter PV-Module (z. B. Balkonkraftwerke, Photovoltaik-Fassaden) liegt nur zwischen 5 und 15 Prozent, weil die Sonne lediglich morgens und abends für relativ kurze Zeit im perfekten Einfallswinkel auf das PV-System trifft.
- Temperatur: Ihren optimalen Wirkungsgrad erreichen Solarzellen bei einer Betriebstemperatur von 25° C. Klettern die Temperaturen an heißen Sommertagen höher, heizen sich die Photovoltaikmodule auf und die Leistung lässt nach. Der Wirkungsgrad sinkt. An bewölkten Tagen arbeiten Solarzellen daher häufig am effizientesten.
- Alter der Module: Mit zunehmender Lebensdauer verringert sich die Leistung der PV-Module nach und nach. Der Wirkungsgrad sinkt somit. Bei kristallinen Solarmodulen müssen Sie damit rechnen, dass der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage nach 20 Jahren um etwa 10 bis 15 Prozent geringer ist als zu Anfang.
- Wechselrichter: Wechselrichter weisen heute nur noch einen geringen Leistungsverlust von etwa 2 bis 4 Prozent auf. Wechselrichter ohne Trafo haben einen höheren Wirkungsgrad als Modelle mit Trafo.
- Verkabelung: Der elektrische Widerstand des Leitermaterials in der Verkabelung der Photovoltaikanlage sorgt für Energieverluste. Bei einer korrekten Installation sind diese mit rund 0,25 Prozent recht gering. Sehr lange Leitungen oder ein falsch gewählter Kabelquerschnitt können die Kabelverluste erhöhen.
Gibt es einen maximalen Wirkungsgrad?
In einer idealen Welt könnten PV-Module 100 Prozent der auftreffenden Sonnenenergie in Strom umwandeln. Praktisch ist dies jedoch leider nicht möglich, denn der zu erreichende Wirkungsgrad ist auf natürliche Weise begrenzt. Sonnenstrahlen bestehen aus einem breiten Lichtspektrum. Solarmodule können nicht alle Bestandteile dieses Spektrums verarbeiten, sondern nur einen kleinen Teil – welcher Teil das ist, hängt von der Art des PV-Moduls ab.
Eine kristalline Solarzelle verarbeitet lediglich den sichtbaren Teil des Lichts. Dies entspricht etwa 30 Prozent des Spektrums. Somit ist ein Wirkungsgrad von mehr als 30 Prozent nicht ohne Weiteres möglich. Die Forschung arbeitet schon seit Jahren daran, den Wirkungsgrad der Solarzellen zu steigern. Deshalb sind die PV-Module heute um ein Vielfaches effizienter als noch vor einigen Jahren.
Die Forscher haben bereits Fortschritte gemacht: Mit der Tandem-Solarzelle wurde eine Technologie geschaffen, die Wirkungsgrade von bis zu 45 Prozent erreicht. Das Prinzip ist einfach: Man kombiniert mehrere Arten von Solarzellen übereinander, die jeweils unterschiedliche Bestandteile des Lichtspektrums verarbeiten können. So lässt sich der nutzbare Anteil der Sonnenenergie steigern. Leider sind solche Technologien derzeit nicht für den Markt bereit, weil sie sich noch nicht wirtschaftlich produzieren lassen.
Fazit zum Wirkungsgrad einer Solarzelle
Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst den theoretischen Wirkungsgrad einer Solarzelle. In der Praxis zieht man diesen nur heran, um Solarmodule untereinander zu vergleichen. Um den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage zu beurteilen, nutzen Sie die Performance-Ratio. Sie setzt den tatsächlichen Ertrag zur theoretisch möglichen Leistung ins Verhältnis und zeigt so, wie effizient Ihre Solarmodule arbeiten.
Je höher der Wirkungsgrad Ihrer Photovoltaikanlage ist, desto mehr Strom erzeugt sie aus der eintreffenden Sonnenenergie. Er wirkt sich also auch auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage aus: Mit einem höheren Wirkungsgrad erhöht sich Ihre Stromkostenersparnis bzw. Ihre Einspeisevergütung. Entsprechend zahlt sich die Anlage schneller ab.
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