Alles zum Wirkungsgrad von Solarzellen

Bei der Photovoltaik (PV) wird in Solarzellen Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt. Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die sich vor allem hinsichtlich des eingesetzten Halbleitermaterials  und ihres Aufbaus unterscheiden. Material und Aufbau beeinflussen den Wirkungsgrad der Solarzellen und damit die Leistung des Moduls.

Unterschiedliche Wirkungsgrade bei verschiedenen Solarzellenarten

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent der Sonnenstrahlung, die auf die Zelle  fällt, in Strom umgewandelt wird. Je höher der Wirkungsgrad, desto effizienter arbeitet eine Solarzelle.

In der Praxis sind vor allem Module mit mono- und polykristallinen Solarzellen im Einsatz. Letztere vor allem auf Bestandsanlagen, neu verbaut werden sie so gut wie nicht mehr. Monokristalline Solarzellen sind vergleichsweise teurer, da die Herstellung aufwändiger ist. Sie weisen aber eine einheitliche Struktur auf uns einen hohen Wirkungsgrad. 

Bei polykristallinen Solarzellen fällt der Wirkungsgrad geringer aus; dafür sind polykristalline Solarzellen in der Herstellung aber weniger aufwendig, was sie günstiger macht. Lange Zeit war das der entscheidende Vorteil, doch mittlerweile hat sich der Markt so geändert, dass kaum noch polykristalline Solarzellen erzeugt werden und damit das Preisargument nichtig ist. 

Noch einmal geringer als bei polykristallinnen Zellen fällt der Wirkungsgrad von amorphen bzw. anorganischen Solarzellen aus.  Diese Bezeichnungen wird für Zellen verwendet, die vor allem aus nicht-kristallinem Silizium erzeugt werden. Ihre Herstellung ist im Vergleich sehr einfach, weshalb sie besonders kostengünstig sind. Eingesetzt werden die daraus hergestellten Dünnschichtmodule vor allem dort, wo es auf günstige Module (geringe Investitionskosten) ankommt und genügend Fläche vorhanden ist, wie bei Solarparks. 

Zu den anorganischen Solarzellen zählen auch Zellen, die aus Halbleiter-Verbindungen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Kupfer-Indium-Disulfid (CIS) bestehen. Diese Zellen haben oft hohe Wirkungsgrade von 20 bis 40 %, werden aufgrund höherer Herstellungskosten vor allem für Spezialanwendungen eingesetzt. Ungünstig für den Masseneinsatz ist auch die Giftigkeit eines Teils der eingesetzten Metalle.

Daneben gibt es auch Dünnschichtzellen, die aus organischen Verbindungen hergestellt werden. Die Solarmodule aus organischen Solarzellen können sehr viele unterschiedliche Ausprägungen annehmen, beispielsweise als transparente biegbare Folien ausgeführt sein. Der Wirkungsgrad ist derzeit noch vergleichsweise niedrig, dafür liefern die organischen Solarzellen aber auch bei schwachem oder unstetem Lichteinfall relativ viel Strom. Ein wesentlicher Vorteil der organischen Solarzellen besteht darin, dass sie quasi maßgeschneidert hergestellt werden können - die organische Chemie bietet ein breites Spektrum an Verbindungen, aus dem die für den jeweiligen Einsatzfall passende Kombination ausgewählt werden kann.

Möglichkeiten zur Erhöhung des Wirkungsgrades

Ziel der aktuellen Forschung und Entwicklung der Branche ist es, die Wirkungsgrade von Solarzellen und damit die Leistung der Module weiter zu erhöhen.  Die Einführung der PERC-Technologie hat zu einer Leistungssteigerung bei den in industrieller Produktion hergestellten Modulen geführt, der Wirkungsgrad der Solarzellen selbst, lässt sich durch die Rückseiten-Passivierung allerdings nur um etwa 1 Prozent erhöht. 

Bei den sich noch in der Entwicklung befindlichen Tandem- oder Hybrid-Solarzellen setzt man auf die Kombination verschiedener photoaktiver Schichten, wodurch sich mehrere Bereiche des Sonnenlicht-Spektrums zur Stromerzeugung nutzen lassen. In Laborversuchen wurden bereits sehr hohe Wirkungsgrade erzielt.

Ebenfalls erforscht werden derzeit die sogenannten Perowskit-Solarzellen, die ihren Namen von einer typischen Metalloxid-Kristallstruktur (CaTiO₃) haben. Ihr Hauptvorteil liegt in den günstigen Herstellungsverfahren und der hohen Effizienz, da die Zellen auch grünes und blaues Licht in Strom umwandeln. Aktuell werden Wirkungsgrade von 20 Prozent und mehr erzielt. Zudem können die Perowskit-Solarzellen hervorragend mit anderen Materialien zu Tandemsolarzellen verbunden werden. Auch wenn es noch einige praktische Fragen zu lösen gibt, wird dem Zelltyp eine große Zukunft vorausgesagt.

Die Wirkungsgrade von Solarzellenarten im Vergleich

Die folgende Tabelle führt die derzeit erwartbaren Wirkungsgrade verschiedener Arten von Solarzellen auf:

Die angegebenen Effizienzwerte beziehen sich auf Laborbedingungen. Die Wirkungsgrade von Solarzellen, die in konkreten Photovoltaikanlagen eingesetzt werden, können etwas niedriger liegen.

• Perowskit-Tandemsolarzelle schafft 32,5 Prozent Wirkungsgrad (Dezember 2022)
• Longi meldet weltweit höchsten Wirkungsgrad (26,81 Prozent) für Silizium-Solarzellen (November 2022)
• Forscher entwickeln einzelliges Perowskit-Silizium-Tandemmodul mit 26,2 Prozent Wirkungsgrad (August 2022)
• Trina Solar verbessert Wirkungsgrad seiner 210-Millimeter-PERC-Solarzellen auf 24,5 Prozent (Juli 2022)
• Fraunhofer ISE katapultiert Effizienz von Vierfach-Solarzelle auf 47,6 Prozent (Mai 2022)

Kombiniert man die Solarzellen mit der Wärmegewinnung lassen sich noch deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen. Ein photovoltaisch-thermisches Modul des Dresdner StartUps Sunmaxx bringt es auf 80 % Solar-Wirkungsgrad. Das hat auch das Fraunhofer ISE bestätigt.

Solarmodule setzen sich zwar aus Solarzellen zusammen, ihr Wirkungsgrad wird aber nicht nur von den Solarzellen ab. Der Modulwirkungsgrad wird dennoch wesentlich von der Art der verbauten Solarzellen bestimmt. Neben den Solarzellen haben noch weitere in den Modulen verbaute Elemente (etwa die eingesetzte Antireflexionsschicht und die Verbinder) einen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad, ferner die konkrete Verschaltung der Solarzellen.

Solarmodule und Wirkungsgrade: eine Bestenliste

Der Wirkungsgrad und damit die Leistung ist für die meisten Interessenten ein wichtiges Kriterium bei der Wahl von PV-Modulen für eine Anlage. Am häufigsten wurden bisher mono- und polykristalline Solarmodule installiert, da sie sehr effizient arbeiten. In bestimmten Fällen kann sich aber auch der Einsatz von Dünnschicht-Solarmodulen besonders lohnen.

Die Wirkungsgrade gängiger Modultypen in absteigender Reihenfolge:

• Monokristalline Solarmodule erzielen mit Werten von 14 bis 22 % die besten Wirkungsgrade. Sie kommen vor allem bei kleineren Dachflächen zum Einsatz: Schon mit einer vergleichsweise geringen Modulfläche können hohe Erträge an Solarstrom erzielt werden.
• Polykristalline Solarmodule erreichen mit 10 bis 18 % etwas geringere Wirkungsgrade und eignen sich deshalb eher für größere Dachflächen.
• Dünnschichtmodule weisen mit 6 bis 10 % die geringsten Wirkungsgrade auf, sie können diffuses Licht aber besser verwerten als kristalline Module, was sie für nicht südlich ausgerichtete Dachflächen und weitere spezielle Anwendungsszenarien besonders interessant macht.

Durch den Einsatz neuerer Technologien wie PERC oder aktuell die Halbzellen-Technologie, kann eine weitere Steigerung erreicht werden. 

Hier finden Sie eine Übersicht über besonders effiziente Module, allerdings stammen die Zahlen bereits aus dem Jahr 2018. 

Wirkungsgrad, Nennleistung und tatsächliche Leistung

Im Produktdatenblatt geben Hersteller meist die Nennleistung eines Solarmoduls in Watt-Peak (Wp) oder Kilowatt-Peak (kWp) an. Die Nennleistung korreliert mit dem Wirkungsgrad. Module, die besonders leistungsstark sind, besitzen demnach einen hohen Wirkungsgrad – und andersherum.

Gegenüber den Datenblattangaben beeinflussen u. a. folgende Faktoren die tatsächliche Leistung bzw. den Wirkungsgrad von sich im Betrieb befindlichen PV-Modulen:

• die Ausrichtung und die Neigung der Module
• die Strahlungsintensität
• eventuell vorliegende Verschattungen
• die Luftqualität
• das Lichtspektrum
• die Umgebungstemperatur

Je höher die Sonneneinstrahlung, desto bessere Werte werden erzielt. Bei der Temperatur ist es genau umgekehrt: Je wärmer es wird, desto mehr verringert sich die Leistung der Solarzellen bzw. der Solarmodule. Dank einer guten Belüftung der Photovoltaikmodule können die Verluste jedoch eingegrenzt werden.

Wenn es um den Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage und deren Ertrag geht, kommt dem Wechselrichter eine entscheidende Rolle. Bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom (und am Speicher auch zurück) geht die meiste Energie "verloren". 

Wer sich für die Anschaffung einer Photovoltaikanlage interessiert, sollte nicht ausschließlich die Effizienz der Module in den Blick nehmen. Generell gilt: Der Wirkungsgrad eines einzelnen Solarmoduls ist immer höher als der Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage. In die Berechnung von Letzterem fließen die Verluste aller einzelnen Bauteile ein.

So beeinflussen etwa die Länge und der Querschnitt der Verbindungskabel zwischen den Komponenten den Wirkungsgrad der PV-Anlage. Auch der in der Solaranlage eingesetzte Wechselrichter beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad.

Neben dem Wirkungsgrad der Solarmodule und weiterer Anlagenkomponenten sollten Käufer in der Regel überdies auch noch die Kosten der Solarmodule und die Garantien des Herstellers in die Kaufentscheidung einbeziehen.