Der Wirkungsgrad von Solarzellen einfach erklärt (2024)

Herzlich willkommen zu diesem Artikel über den Wirkungsgrad von Solarzellen. Das Thema ist für Hausbesitzer mit einer Photovoltaikanlage sowie für die Solarbranche von großer Bedeutung. Denn je höher der Wirkungsgrad der verbauten Solarmodule, desto mehr Solarstrom kann produziert werden.

In diesem Artikel erklären wir zunächst, was der Wirkungsgrad überhaupt ist und wie er berechnet wird. Anschließend schauen wir uns die üblichen Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen an. Es folgt eine Betrachtung der Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen. Dabei gehen wir auch auf die Frage ein, ob Solarzellen im Schatten oder Winter wirklich so viel schlechter arbeiten.

Weiter beschäftigen wir uns mit der theoretischen Obergrenze des Wirkungsgrades und stellen neue Technologien vor, die in Zukunft deutlich höhere Wertungen ermöglichen könnten. Am Ende diskutieren wir die Praxisrelevanz des Wirkungsgrades für den Ertrag einer Photovoltaikanlage.

Im Fazit fassen wir die wichtigsten Erkenntnisse zusammen. Und zum Schluss beantworten wir noch die häufigsten Fragen zum Thema Wirkungsgrad von Solarzellen.

Definition Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie effizient sie die einfallende Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln kann. Er ist definiert als das Verhältnis der maximalen elektrischen Leistung Pmax, die die Solarzelle abgeben kann, zur eingestrahlten Lichtleistung Pin.

Formel und Berechnung

Mathematisch lässt sich der Wirkungsgrad η einer Solarzelle durch folgende Formel berechnen:

η = Pmax / Pin

Hierbei ist:

• Pmax: Maximale elektrische Leistung der Solarzelle in Watt [W]
• Pin: Eingestrahlte Lichtleistung in Watt [W]

Der Wirkungsgrad wird üblicherweise in Prozent [%] angegeben.

Physikalische Grundlagen

Wenn Licht auf eine Solarzelle trifft, werden Elektronen aus dem Halbleitermaterial herausgelöst und erzeugen einen elektrischen Strom. Allerdings kann nie die gesamte Lichtenergie in Elektrizität umgewandelt werden, da ein Teil als Wärme verloren geht. Die Effizienz dieser Umwandlung wird durch den Wirkungsgrad beschrieben.

Beispielrechnung

Nehmen wir an, eine Solarzelle hat eine Fläche von 1 m2 und es fällt eine Sonnenlichtleistung von 1000 W/m2 darauf. Die Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von 20%.

Pmax = Fläche * Sonnenlichtleistung * Wirkungsgrad
= 1 m2 * 1000 W/m2 * 0,2 = 200 W

Pin = Fläche * Sonnenlichtleistung
= 1 m2 * 1000 W/m2 = 1000 W

Damit ergibt sich ein Wirkungsgrad von:
η = Pmax/Pin = 200 W / 1000 W = 0,2 = 20%

20% der eingestrahlten Sonnenenergie werden in dieser Solarzelle in elektrischen Strom umgewandelt.

Typische Wirkungsgrade

Je nach verwendeter Solarzellentechnologie unterscheiden sich die typischen Wirkungsgrade deutlich. Die gängigsten Zelltypen sind:

Polycristalline Solarzellen

Polycristalline Solarzellen, auch polykristalline oder multikristalline Zellen genannt, bestehen aus mehreren Kristallkörnern. Sie haben einen Wirkungsgrad von typischerweise 14-20%. Der Vorteil dieses Zelltyps ist die einfache und kostengünstige Herstellung. Nachteilig ist der etwas geringere Wirkungsgrad im Vergleich zu Monocristallin-Zellen.

Monocristalline Solarzellen

Monocristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Kristall gezüchtet. Dadurch erreichen sie höhere Wirkungsgrade von etwa 20-24%. Ihre Herstellung ist allerdings aufwendiger und teurer. Vorteilhaft ist der höhere Ertrag pro Fläche.

Dünnschicht-Solarzellen

Bei Dünnschichtzellen, z.B. aus amorphem Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid, beträgt der Wirkungsgrad rund 10%. Sie sind preisgünstig herzustellen, aber weniger effizient. Dafür können sie flexibel auf Folien aufgebracht werden.

Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Lichtspektrum

Kristalline Silizium-Solarzellen können nur Licht im sichtbaren Spektrum in Strom umwandeln. Infrarot- und Ultraviolettstrahlung können sie nicht nutzen. Daher ist der Wirkungsgrad abhängig vom Lichtspektrum der Sonnenstrahlung. An einem wolkenlosen Sommertag können kristalline Zellen rund 30% des Sonnenlichts in Strom umsetzen.

Temperatur

Mit zunehmender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen leicht. Bei 25°C beträgt der Temperaturkoeffizient um -0,4 bis -0,5 %/K. An einem heißen Sommertag kann eine Zelle bis zu 20% weniger Wirkungsgrad haben als an einem kalten Wintertag.

Neigung und Ausrichtung

Die optimale Neigung für Solarmodule in Deutschland beträgt 30-40°. Je steiler die Neigung, desto geringer die Einstrahlung pro Fläche. Eine Ost-West-Ausrichtung bringt bis zu 5% Mehrertrag gegenüber Südausrichtung.

Alter der Zellen

In den ersten 10-20 Jahren altert eine Solarzelle nur geringfügig und der Wirkungsgrad bleibt weitgehend stabil. Danach sinkt er langsam um ca. 0,5% pro Jahr. Nach 30 Jahren hat eine Zelle noch rund 80% ihres ursprünglichen Wirkungsgrads.

Verschattung

Schon eine geringe teilweise Verschattung kann den Wirkungsgrad und Ertrag stark reduzieren. Da die Zellen in Serie geschaltet sind, bremst die Leistung der schwächsten Zelle alle anderen aus. Optimale Ausrichtung ohne Verschattung ist daher essenziell.

Schwachlichtverhalten

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird meist unter Standardtestbedingungen (STC) bestimmt. Das bedeutet eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2, eine Zelltemperatur von 25°C und ein definiertes Lichtspektrum.

In der Praxis weichen die Bedingungen allerdings oft davon ab. Gerade bei niedrigerer Strahlungsintensität oder diffuserem Licht zeigen sich teils deutliche Unterschiede im Wirkungsgrad verschiedener Zelltypen.

Wirkungsgrad im Schatten

Befindet sich eine Solarzelle teilweise im Schatten, sinkt ihr Wirkungsgrad deutlich. Der effektiv genutzte Zellbereich wird kleiner, der Stromfluss wird durch die beschatteten Bereiche behindert.

Kristalline Siliziumzellen zeigen hier eine ausgeprägte Abhängigkeit vom Schattenwurf. Schon eine kleine Teilbeschattung kann den Wirkungsgrad und Ertrag stark reduzieren. Dagegen reagieren Dünnschichtzellen oft weniger empfindlich.

Insgesamt ist die Schattenanfälligkeit heute deutlich geringer als noch vor Jahren. Moderne Solarmodule verfügen über Bypass-Dioden, die den Stromfluss bei Teilbeschattung aufrechterhalten. Dennoch sollte eine dauerhafte Verschattung möglichst vermieden werden.

Ertrag im Winter

Auch im Winter produzieren Solarzellen noch Strom, wenn die Strahlungsintensität ausreichend ist. Allerdings sinken Ertrag und Wirkungsgrad aufgrund der niedrigeren Sonneneinstrahlung und kälteren Temperaturen.

Der Effekt ist allerdings nicht so stark wie häufig angenommen. Die Strahlungsintensität ist im Winter bis zu 60% niedriger, der Ertrag sinkt aber nur um 25-40%. Der Wirkungsgrad bleibt relativ stabil.

Kristalline Siliziumzellen sind gegenüber Temperaturschwankungen weniger empfindlich als Dünnschichtzellen. Sie können ihre winterlichen Erträge daher besser halten. Insgesamt ist der jahreszeitliche Ertragsunterschied heute deutlich geringer als noch vor einigen Jahren.

Theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist durch physikalische Gesetze begrenzt. Bereits 1961 errechneten die Physiker William Shockley und Hans Queisser eine theoretische Obergrenze, die als Shockley-Queisser-Limit bekannt ist.

Diese Grenze ergibt sich aus thermodynamischen Prinzipien. Solarzellen wandeln Licht in Elektrizität um. Dabei kann jedoch nicht die gesamte Energie des Sonnenlichts genutzt werden. Ein Teil geht als Wärme verloren.

Das Shockley-Queisser-Limit liegt für Solarzellen mit nur einer p-n-Übergangsschicht bei rund 33%. Mehrfachsolarzellen mit mehreren Übergängen können Werte von über 40% erreichen. Dies ist aber sehr aufwendig und teuer.

In der Praxis liegt der maximale Wirkungsgrad heutiger Solarzellen daher deutlich unter diesen theoretischen Grenzen. Mit neuen Technologien rückt man diesen Werten aber Schritt für Schritt näher.

Neue Solarzellentechnologien

In den letzten Jahren wurden zahlreiche neue Solarzellentechnologien entwickelt, die höhere Wirkungsgrade versprechen.

PERC

Die PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell) nutzt eine zusätzliche Dielektrikumschicht auf der Rückseite der Solarzelle, um Reflexion zu minimieren. Dadurch kann mehr Licht in der Zelle absorbiert werden. PERC Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von über 22%.

HIT

Bei HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) Zellen werden ultrafeine amorphe und kristalline Siliziumschichten übereinander geschichtet. Dies führt zu weniger Verlusten und Wirkungsgraden bis 24%.

Perowskit

Perowskit-Solarzellen nutzen ein hybrides organisch-anorganisches Perowskit-Material, das sich einfacher und kostengünstiger herstellen lässt als Silizium. Im Labor konnten damit schon Wirkungsgrade über 25% erreicht werden. Die Stabilität ist jedoch noch eine Herausforderung.

Tandem-Solarzellen

Bei Tandem-Solarzellen werden zwei Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken übereinandergestapelt. Dadurch kann ein größerer Teil des Sonnenspektrums genutzt werden. Rekordzellen erreichen bereits über 35% Wirkungsgrad. Allerdings ist die Herstellung sehr aufwendig.

Praxisrelevanz

Der Wirkungsgrad ist zwar ein wichtiger Faktor für den Ertrag einer Solaranlage, aber keineswegs der alleinige. In der Praxis spielen eine Reihe weiterer Aspekte eine große Rolle:

Wirkungsgrad ist nicht alles

Auch wenn Module mit höherem Wirkungsgrad pro Fläche mehr Ertrag liefern, bedeutet das nicht automatisch, dass die Gesamtanlage damit auch wirtschaftlicher wird. Denn der Wirkungsgrad ist nur eine Kenngröße der Solarzelle selbst. Für die Performance des Solarsystems sind auch viele andere Komponenten entscheidend: Wechselrichter, Unterkonstruktion, Verschattung, Verschmutzung, Schneelast etc.

Zudem machen die Solarmodule nur einen Teil der Systemkosten aus. Bei der Wirtschaftlichkeit ist auch der Preis pro Watt Peak zu berücksichtigen. Module mit sehr hohem Wirkungsgrad sind in der Anschaffung meist teurer.

Gesamtsystembetrachtung

Die Energieausbeute hängt von der Performance des gesamten Systems ab. Der Wirkungsgrad der Module ist dabei nur ein Baustein. Wichtiger ist die Energieausbeute pro installierter Leistung, auch Performance Ratio genannt. Sie gibt an, wie viel Prozent der möglichen Energie tatsächlich ins Netz eingespeist werden. Diese Performance Ratio kann bei verschiedenen Anlagen trotz gleichem Zellwirkungsgrad stark variieren.

Kosten und Haltbarkeit

Neben der Energieausbeute spielen auch die Kosten und die Lebensdauer eine wichtige Rolle. Modultypen mit extrem hohem Wirkungsgrad sind oft teurer und weniger erprobt. Geringere Haltbarkeit und höhere Wartungskosten können die Einsparung durch den höheren Wirkungsgrad zunichtemachen.

Bei der Planung einer Solaranlage ist daher eine Gesamtbetrachtung wichtig. Der Wirkungsgrad der Module ist dabei ein Aspekt von vielen.

Fazit

Zusammenfassung:
Der Wirkungsgrad ist ein wichtiger, aber nicht der allein entscheidende Faktor für den Ertrag einer Solaranlage. In der Praxis spielen oft andere Aspekte eine größere Rolle, wie das Schwachlichtverhalten, die Haltbarkeit und die Wetterresistenz der Module.

Ausblick:
Die Weiterentwicklung des Wirkungsgrades bleibt ein zentrales Forschungsfeld, da höhere Wirkungsgrade direkt mehr Ertrag bedeuten. Mit neuen Solarzellentechnologien wie Tandem-Solarzellen sind weitere Steigerungen möglich. Allerdings ist die praktische Umsetzbarkeit und Stabilität oft eine Herausforderung. Neue Konzepte müssen sich langfristig in der Praxis bewähren.

FAQ 1: Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie effizient sie eintreffendes Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln kann. Er ist definiert als das Verhältnis der maximalen elektrischen Leistung Pmax, die die Solarzelle bei Standardtestbedingungen (STC) abgeben kann, zur eingestrahlten Lichtleistung Pin.

Mathematisch wird der Wirkungsgrad η einer Solarzelle berechnet durch:

η = Pmax / Pin

Dabei ist:

• Pmax: Maximale elektrische Leistung der Solarzelle in Watt (W)
• Pin: Eingestrahlte Lichtleistung in Watt (W)
• η: Wirkungsgrad der Solarzelle in Prozent (%)

Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann die Solarzelle bei gleicher Sonneneinstrahlung erzeugen. Der Wirkungsgrad ist damit ein Maß für die Effizienz der Energieumwandlung von Licht in Strom.

Wie berechnet man den Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird mithilfe einer einfachen Formel berechnet. Man teilt hierbei die vom Solarmodul erzeugte elektrische Leistung durch die auf die Zelle auftreffende Sonnenleistung.

Als Formel ausgedrückt:

Wirkungsgrad (η) = Erzeugte Leistung (P) / Auftreffende Leistung (E)

Wobei:

• P = elektrische Leistung in Watt (W), die vom Solarmodul erzeugt wird
• E = auftreffende Sonnenleistung in Watt (W)

Rechenbeispiel

Angenommen ein Solarmodul hat eine Nennleistung von 250 Watt und es treffen 1000 Watt Sonnenleistung auf.

Dann lautet die Berechnung:

Wirkungsgrad = 250 W (erzeugte Leistung) / 1000 W (auftreffende Leistung)
Wirkungsgrad = 0,25 = 25%

In diesem Beispiel würde das Solarmodul also 25% der auftreffenden Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umwandeln.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird von einer Vielzahl an Faktoren beeinflusst. Die wichtigsten sind:

Solarzellentyp

Je nach verwendetem Material und Herstellungsverfahren unterscheiden sich die maximal erreichbaren Wirkungsgrade. Während kristalline Silizium-Solarzellen auf Werte um 20% kommen, sind bei Dünnschichtzellen aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid rund 10% typisch. In Laborversuchen wurden schon Wirkungsgrade über 40% erreicht.

Ausrichtung und Neigung

Die optimale Ausrichtung ist für maximale Einstrahlung nach Süden, die ideale Neigung etwa dem Breitengrad. Abweichungen verringern den Ertrag. Vertikal montierte Ost-West-Systeme haben Erträge von 60-80% gegenüber optimal geneigten Südanlagen.

Albedo

Helle Umgebungsflächen reflektieren Strahlung auf die Solarzelle. Das erhöht den Ertrag. Schnee reflektiert bis zu 90%, Asphalt 20-30%. Module in Gebäudeintegration oder über Teichen haben meist geringere Albedo-Bonuseffekte.

Schatten

Auch kurze teilweise Verschattungen mindern die Leistung deutlich. Schon kleine Verschattungsgrade von 5% können den Ertrag um 20-30% senken.

Temperatur

Mit zunehmender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad leicht. Bei 25°C beträgt er etwa 15% weniger als bei Standardtestbedingungen. Deshalb sind Kühlmaßnahmen wie Lüftung sinnvoll.

Strahlungsintensität

Bei diffuser Einstrahlung und Bewölkung steigt der Wirkungsgrad leicht an, da weniger Streulicht und Reflexionsverluste auftreten.

Alter der Anlage

Der Wirkungsgrad nimmt über die Jahre leicht ab. Nach 30 Jahren liegt er noch bei 80-90% des Anfangswertes. Regelmäßige Reinigung ist empfehlenswert.

Wie hoch ist die Obergrenze für den Wirkungsgrad?

Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad für Solarzellen wird durch die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze beschrieben. Diese geht auf Berechnungen der Physiker William Shockley und Hans Queisser aus den 1960er Jahren zurück.

Die Shockley-Queisser-Grenze ergibt sich aus den natürlichen Gesetzen der Physik und den Eigenschaften des Sonnenlichts. Nur Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum kann von herkömmlichen Solarzellen absorbiert werden. Dieses macht aber nur rund 30% der Sonnenstrahlung aus. Zudem treten bei der Umwandlung in Elektrizität unvermeidbare Verluste durch Wärmeentwicklung und Rekombination auf.

Unter idealen Bedingungen liegt die Obergrenze für den Wirkungsgrad kristalliner Siliziumsolarzellen daher bei rund 33%. Mit einigen Tricks lässt sich dieser Wert auf maximal 40% steigern. Tandem-Solarzellen mit mehreren übereinander angeordneten Zellschichten könnten sogar Wirkungsgrade über 50% erreichen.

In der Praxis müssen allerdings Abstriche gemacht werden, so dass die höchsten Labor-Wirkungsgrade bei rund 29% für kristalline Zellen liegen. Die Shockley-Queisser-Grenze gibt also einen guten Richtwert für die maximal erreichbare Effizienz unter Realbedingungen vor. Wesentliche Verbesserungen darüber hinaus sind nur durch neue Zellkonzepte möglich.

Neue Technologien und Entwicklungen beim Wirkungsgrad

In den letzten Jahren wurden intensive Forschungsanstrengungen unternommen, um die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter nach oben zu verschieben. Durch neue Materialien und Technologien ist es gelungen, im Labor bereits Wirkungsgrade von über 40% zu erreichen.

Eine der vielversprechendsten Entwicklungen sind Tandem-Solarzellen. Hier werden zwei Solarzellenschichten übereinander gestapelt, die jeweils unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums nutzen. Dadurch kann der Wirkungsgrad auf über 30% gesteigert werden. Marktreife Tandem-Zellen könnten den Wirkungsgrad konventioneller Solarmodule bald weit überbieten.

Auch die Kombination von kristallinem Silizium mit Perowskit in sogenannten Tandemsolarzellen zeigt hohes Potential. Perowskit ist ein hybrider Halbleiter, der einfacher herzustellen ist und sehr hohe Wirkungsgrade verspricht. Mit Silizium als Grundlage und Perowskit als Top-Schicht sind Wirkungsgrade jenseits von 30% möglich.

Weitere vielversprechende Ansätze sind die Nanostrukturierung der Oberfläche, um die Lichtausbeute zu erhöhen, sowie Mehrfach-Solarzellen mit mehreren pn-Übergängen. Durch geschickte Führung des Lichts und Minimierung von Verlusten rücken immer höhere Wirkungsgrade in greifbare Nähe.

In den nächsten Jahren könnten diese neuen Technologien den Wirkungsgrad und damit die Stromausbeute von Solaranlagen noch einmal deutlich steigern. Die Forschung nimmt hier gerade enorm Fahrt auf.