Wirkungsgrad von Solarzellen: Balkonkraftwerk und Photovoltaik 2024

Was versteht man unter dem Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, welcher Anteil des einfallenden Sonnenlichts in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad von 100 % würde bedeuten, dass die gesamte Sonnenkraft vollständig in elektrische Energie umgewandelt wird – das ist jedoch technisch noch nicht erreichbar. Heute liegen die Werte handelsüblicher PV-Module zwischen 18 und 24 %, sodass etwa ein Viertel des eingestrahlten Lichts tatsächlich als Strom genutzt werden kann. Die Leistungsfähigkeit von Solarzellen hat sich in den letzten 20 Jahren erheblich gesteigert, was sie besonders für kleinere Anlagen attraktiv macht: Mehr Effizienz bedeutet mehr Stromproduktion auf begrenztem Raum.

Zusammengefasst: Der Wirkungsgrad zeigt, wie viel der eingesetzten Energie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Welche Unterschiede gibt es bei den Wirkungsgraden verschiedener Solarzellentypen?

In der Welt der Solarmodule gibt es zahlreiche Technologien, die sich in Herstellung und Effizienz deutlich unterscheiden. Bei der Herstellung von Solarzellen wird auf verschiedene Materialien und Technologien zurückgegriffen. Am verbreitetsten sind kristalline Solarzellen aus Silizium, die eine gute Balance zwischen Effizienz und Kosten bieten und besonders im privaten Bereich beliebt sind.

Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und erreichen Wirkungsgrade zwischen 14 und 20 %. Diese bläulich schimmernden Module sind kostengünstig, jedoch weniger effizient als die monokristallinen Solarzellen, die aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads von 20 bis 24 % mittlerweile häufiger genutzt werden. Monokristalline Zellen bestehen aus einem einzelnen Kristall und sind für ihren tiefschwarzen Farbton bekannt. Sie gelten inzwischen als „Goldstandard“ für PV-Anlagen.

Die jüngste TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivated Contact) erzielt Wirkungsgrade von bis zu 26 %. Hier sorgt eine spezielle Oxidschicht zwischen Silizium und Metallkontakt für eine verbesserte Effizienz, da sie die Verluste durch Elektronenrekombination minimiert und die Leistung steigert.

Dünnschichtmodule, meist aus amorphem Silizium gefertigt, erreichen etwa einen Wirkungsgrad von 10 %. Sie sind kostengünstig und ideal für Großprojekte, bei denen die Fläche ausreichend ist und die Investitionskosten niedrig gehalten werden sollen. Eine Sonderrolle spielen organische PV-Module, die flexibel und auf Trägermaterialien wie Folien aufgedruckt werden. Sie bieten Wirkungsgrade von 8 bis 10 % und sind vor allem für spezielle Anwendungen gedacht.

Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen ermittelt?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen, wobei sogenannte Standard-Testbedingungen (STC) gelten: eine Zelltemperatur von 25 °C, eine Strahlungsintensität von 1000 W/m² und ein AirMass-Wert von 1,5. Das Photovoltaikmodul wird so lange bestrahlt, bis es seine maximale Leistung (Pmpp) erreicht, bevor der erzeugte Solarstrom allmählich abnimmt.

Der Wirkungsgrad – oft mit dem Symbol Eta (η) dargestellt – ergibt sich aus dem Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur eingestrahlten Sonnenenergie:

Formel: η = P (erzeugte Solarenergie) / P (eingestrahlte Sonnenenergie)

Je geringer die Energieverluste sind, desto höher ist der Wirkungsgrad der Zelle und damit die Effizienz des Moduls.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad einer Solarzelle bei Balkonkraftwerk oder Photovoltaikanlage?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist oft ein wichtiges Kaufkriterium, doch die Laborwerte entsprechen nicht immer den tatsächlichen Bedingungen im Alltag. Verschiedene Faktoren können die reale Effizienz einer Solarzelle beeinflussen:

• Ausrichtung: Eine südliche Ausrichtung der Solarmodule sorgt für die besten Erträge, da die Sonne hier am stärksten strahlt. Bei einer Abweichung von bis zu 45 Grad Richtung Westen oder Osten kann die Anlage dennoch bis zu 95 % der maximal möglichen Leistung erzielen.
• Modulneigung: Der optimale Ertrag wird erzielt, wenn das Sonnenlicht in einem 90-Grad-Winkel auf die Module fällt. Da sich der Sonnenstand im Tages- und Jahresverlauf verändert, gilt in Deutschland ein Neigungswinkel von etwa 30 bis 35 Grad als ideal, um ganzjährig hohe Erträge zu erzielen.
• Temperatur: Hohe Temperaturen senken die Leistungsfähigkeit der Solarzellen. Die optimale Betriebstemperatur liegt bei etwa 25 Grad Celsius. An leicht bewölkten Tagen können die Module häufig besser performen, da sie nicht überhitzen.
• Alter der Module: Mit der Zeit nimmt die Leistung der Module geringfügig ab, doch sie bleiben in der Regel 20 bis 25 Jahre lang effizient nutzbar.
• Strahlungsintensität: Die verfügbare Sonnenenergie variiert je nach Region. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Einstrahlung etwa 1000 kWh/m² jährlich, während sie in sonnigeren Regionen wie der Sahara bis zu 2500 kWh/m² erreichen kann.

Wie lässt sich das Maximum aus Solarzellen herausholen?

Um den Wirkungsgrad deiner Solarmodule optimal zu nutzen, sind die Ausrichtung und Neigung der PV-Module entscheidend. Achte darauf, Verschattungen zu vermeiden und die Module regelmäßig zu reinigen, damit sie stets volle Leistung bringen. Bifaziale Solarmodule können ebenfalls helfen, mehr Sonnenenergie zu nutzen.

Entdecke hier alle Tipps für die bestmögliche Nutzung und wie du das Beste aus Balkonkraftwerken und Photovoltaikanlagen herausholst: Balkonkraftwerk – Optimale Ausrichtung für maximalen Ertrag.

Wie Schatten und Winter den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinflussen?

Moderne Solaranlagen erzielen auch an bewölkten Tagen oft gute Erträge, da sie diffuses Licht effizient nutzen können. Bei dichter Bewölkung sinkt die Leistung jedoch auf etwa 10 bis 25 % der Maximalleistung. So kann eine 10 kWp-Anlage im Schatten statt der üblichen 30 kWh nur rund 3,5 kWh pro Tag erzeugen.

Teilverschattungen – etwa durch Bäume oder Antennen – stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie bei in Reihe geschalteten Solarmodulen den Ertrag der gesamten Reihe beeinträchtigen können. Mikrowechselrichter bieten hier eine Lösung, da sie den Ertrag jedes Moduls individuell optimieren.

Im Winter sorgt die niedrigere Sonneneinstrahlung für reduzierte Erträge, jedoch liefern PV-Anlagen auch in dieser Zeit etwa 30 % ihres Jahresertrags. Im Winter beträgt der Richtwert rund 350 kWh pro kWp, was bei einem 100-Watt-Modul etwa 30 Watt pro Tag entspricht.

Mehr dazu: Balkonkraftwerk im Winter – Lohnt sich die Nutzung in der kalten Jahreszeit?

Gibt es einen maximalen Wirkungsgrad für Solarzellen?

Ja, es gibt eine theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen, die sogenannte „Shockley-Queisser-Grenze“. Diese besagt, dass Halbleiterkristalle nur einen bestimmten Anteil der Sonnenkraft in elektrische Energie umwandeln können, während der Rest als Wärme verloren geht.

Für klassische Solarzellen aus einem einzelnen Halbleitermaterial liegt diese Grenze bei etwa 30 bis 40 %. Um darüber hinauszugehen, entwickeln Forscher Solarzellen mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien (sogenannte Mehrfach-Zellen), die höhere Wirkungsgrade ermöglichen.

Was bedeutet die Nennleistung einer PV-Anlage?

Neben dem Wirkungsgrad ist auch die Nennleistung (oder elektrische Leistung) eines Solarmoduls eine entscheidende Kennzahl. Dieser Spitzenwert wird unter standardisierten Laborbedingungen ermittelt und in Watt-Peak (Wp) oder Kilowatt-Peak (kWp) angegeben.

Die Gesamtleistung einer Photovoltaikanlage berechnet sich, indem die Leistung eines einzelnen Moduls mit der Anzahl der identischen Module multipliziert wird. Ein Beispiel: Bei der Installation von 10 Modulen mit jeweils 320 Wp ergibt sich eine Gesamtleistung der Anlage von 3.200 Wp bzw. 3,2 kWp. Hierbei sind eventuelle Wirkungsgradverluste nicht eingerechnet.

PV-Forschung: Welche neuen Fortschritte gibt es beim Wirkungsgrad von Solarzellen?

In der Photovoltaikforschung werden kontinuierlich innovative Ansätze entwickelt, die den Wirkungsfähigkeit von Solarzellen in den kommenden Jahren deutlich erhöhen könnten. Während PERC-Solarzellen derzeit den Standard darstellen und durch ihre spezielle Rückseitenbeschichtung mehr Licht in Strom umwandeln, suchen Wissenschaftler bereits nach noch effizienteren Technologien.

Ein vielversprechender Kandidat sind Perowskit-Solarzellen. Diese Dünnschichtmodule bestehen aus Halid-Perowskiten – einer Kombination aus organischen und anorganischen Materialien –, die theoretische Wirkungsgrade von bis zu 34 % ermöglichen und kostengünstig herstellbar sind. Bereits 2020 erzielten südkoreanische Forscher 25 Prozent Wirkungsgrad mit dieser Technologie.

Tandem-Solarzellen erzielen derzeit die höchsten Wirkungsgrade, indem sie verschiedene Zelltypen kombinieren, die unterschiedliche Teile des Lichtspektrums nutzen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) erreichte 2022 mit einer Tandemzelle eine Effizienz von 47,6 %. Diese Technologie hat theoretisch keine feste Obergrenze für den Wirkungsgrad.

Auch wenn viele dieser Technologien noch getestet werden, deuten die Fortschritte darauf hin, dass Balkonkraftwerke und Photovoltaikanlagen in den nächsten 10 Jahren erhebliche Effizienzsteigerungen erfahren könnten.

Fazit

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage, Photovoltaikanlage oder eines Balkonkraftwerks. Mit Maßnahmen wie regelmäßiger Wartung, der Wahl hochwertiger Materialien und optimaler Ausrichtung lässt sich die Leistungsfähigkeit steigern, um das volle Potenzial der Anlage zu nutzen.