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Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie effizient Sonnenlicht in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Doch was beeinflusst diese Effizienz? Und warum ist der Wirkungsgrad gerade für kleinere Anlagen wie Balkonkraftwerke so wichtig? Von der Theorie hinter der Umwandlung über die verschiedenen Solarzelltypen bis hin zu neuen Technologien wie TOPCon und Tandem-Solarzellen – dieser Artikel beleuchtet, wie du das Beste aus deiner Solaranlage herausholst.
Entdecke, wie die moderne Forschung den Weg zu immer höheren Wirkungsgraden ebnet und welche Faktoren du selbst optimieren kannst!
Das Wichtigste über den Wirkungsgrad von Solarzellen im Überblick:
- Definition des Wirkungsgrads: Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel des einfallenden Sonnenlichts in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Aktuelle Module erreichen marktübliche Werte von 18 bis 24 %.
- Solarzelltypen und Effizienz: Monokristalline Solarzellen gelten mit 20 bis 24 % als besonders effizient; die TOPCon-Technologie erreicht sogar bis zu 26 %. Dünnschichtmodule und organische Zellen haben niedrigere Wirkungsgrade (8 bis 10 %) und sind für spezielle Anwendungen geeignet.
- Berechnung des Wirkungsgrads: Der Wirkungsgrad wird durch das Verhältnis von erzeugtem Solarstrom zur eingestrahlten Sonnenenergie berechnet (η = P(Solarstrom) / P(Sonnenenergie)) und unter Laborbedingungen gemessen.
- Faktoren für die Effizienz: Ausrichtung, Neigung, Temperatur und die Sonnenstrahlung beeinflussen die Leistung. Besonders bei Verschattungen und im Winter sinkt die Effektivität der Module.
- Neue Forschung für höhere Effizienz: Technologien wie Perowskit- und Tandem-Solarzellen haben das Potenzial, die Wirkungsgrade in den nächsten Jahren erheblich zu steigern. Tandemzellen erreichen derzeit schon bis zu 47,6 % im Labor.
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Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel des einfallenden Sonnenlichts in nutzbaren Solarstrom umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad von 100 % würde bedeuten, dass die gesamte Sonnenenergie vollständig in Strom umgewandelt wird. Aktuelle PV-Module erreichen jedoch marktüblich Werte von 18 bis 24 %, was bedeutet, dass etwa ein Viertel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie überführt wird. Die Effizienz moderner Solarzellen hat sich in den letzten 20 Jahren deutlich verbessert, was sie zu einem interessanten Faktor insbesondere für platzbeschränkte Kleinanlagen macht, da eine höhere Effizienz mehr Solarstrom auf begrenzter Fläche ermöglicht.
Wirkungsgrad-Definition in der Zusammenfassung: Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der zugeführten Energie in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.
Welche Unterschiede gibt es bei den Wirkungsgraden verschiedener Solarzelltypen?
Die Welt der PV-Module ist vielfältig, und die unterschiedlichen Solarzellentypen variieren stark in Herstellungsweise und Wirkungsgrad. Die gängigsten Module sind kristalline Solarzellen, die aus Silizium-Kristallen gefertigt werden und vor allem für private Anwendungen die beste Balance aus Effizienz und Kosten bieten.
Polykristalline Solarzellen, die aus vielen kleinen Silizium-Halbleitern bestehen, erreichen heute Wirkungsgrade zwischen 14 und 20 %. Diese bläulich schimmernden Zellen waren früher verbreitet, werden jedoch zunehmend von monokristallinen Solarzellen abgelöst.
Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch ihre tiefschwarze Farbe und ihre Herstellung aus einem einzelnen Kristall aus, wodurch sie Wirkungsgrade von 20 bis 24 % erreichen. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und eines guten Preis-Leistungsverhältnisses gelten sie mittlerweile als der „Goldstandard“ für PV-Anlagen.
Die neueste TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Zelltechnologie erreicht derzeit Wirkungsgrade von rund 25 bis 26 % und gehört damit zu den effizientesten verfügbaren Solarzellen-Technologien. Bei TOPCon-Zellen sorgt eine zusätzliche, ultradünne Oxidschicht zwischen Silizium und Metallkontakt für eine bessere Passivierung und reduziert den Rekombinationsverlust von Elektronen. Diese spezielle Struktur erhöht die Effizienz der Zellen im Vergleich zu herkömmlichen monokristallinen PERC-Zellen deutlich.
Dünnschichtmodule, meist aus amorphem Silizium, spielen eine kleinere Rolle. Sie werden kostengünstig auf ein Trägermaterial aufgedampft und erreichen etwa 10 % Wirkungsgrad. Diese Module sind ideal für Großprojekte, bei denen niedrige Investitionskosten wichtiger als Platzbedarf sind.
Auch organische PV-Module gewinnen an Interesse. Diese flexiblen Solarzellen werden auf Materialien wie z. B. Folien aufgedruckt, erzielen jedoch mit 8 bis 10 % geringere Wirkungsgrade und eignen sich daher vor allem für spezielle Anwendungen.
Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen berechnet?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen lässt sich präzise unter Laborbedingungen bestimmen. Hierbei wird das Photovoltaikmodul unter den sogenannten Standard-Testbedingungen (STC) geprüft: Eine Zelltemperatur von 25 °C, eine Strahlungsintensität von 1000 W/m² und ein AirMass-Wert von 1,5. Das Modul wird dabei so lange bestrahlt, bis es die maximale Leistung (Pmpp) erreicht und der Stromertrag allmählich abnimmt.
Der Wirkungsgrad, dargestellt durch das Formelzeichen Eta (η), berechnet sich aus dem Verhältnis der erzeugten Solarenergie zur eingestrahlten Sonnenenergie:
Formel: η = P (erzeugter Solarstrom) / P (eingestrahlte Sonnenenergie)
Je geringer die Verluste, desto höher ist der Wirkungsgrad und damit die Effizienz des Solarmoduls.
Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von Solarzellen?
Der maximale Wirkungsgrad einer Solarzelle ist entscheidend für die Kaufentscheidung, doch Laborwerte spiegeln oft nicht die realen Bedingungen wider. In der Praxis beeinflussen mehrere Faktoren die tatsächliche Effizienz einer Solarzelle:
- Ausrichtung: Eine südliche Ausrichtung der Module bietet optimale Erträge, da die Sonne hier am stärksten scheint. Auch bei einer Abweichung um 45 Grad nach Westen oder Osten erzielt die Anlage noch bis zu 95 % der maximal möglichen Leistung.
- Modulneigung: Der Ertrag ist am höchsten, wenn das Sonnenlicht in einem 90-Grad-Winkel auf die Module trifft. Da sich der Sonnenstand im Tages- und Jahresverlauf ändert, wird in Österreich ein Neigungswinkel von etwa 30 bis 35 Grad gewählt, um über das Jahr verteilt die beste Leistung zu erreichen.
- Temperatur: Hohe Temperaturen reduzieren die Effizienz der Solarzellen. Eine Betriebstemperatur von etwa 25 Grad Celsius gilt als optimal. Daher erzielen Solarzellen an leicht bewölkten Tagen oft bessere Ergebnisse, da die Module nicht überhitzen.
- Alter der Anlage: Mit der Zeit nimmt die Leistung der Module leicht ab, doch sie bleiben in der Regel für 20 bis 25 Jahre effizient nutzbar.
- Strahlungsintensität: Die Menge an Sonnenlicht, die auf die Erdoberfläche trifft, variiert je nach Region. In Österreich liegt die jährliche durchschnittliche Einstrahlung bei etwa 1200 kWh/m², während sie in sonnigeren Gebieten wie der Sahara bis zu 2500 kWh/m² erreichen kann. Die Strahlungsstärke beeinflusst den Energieertrag maßgeblich.
Wie holt man das Maximum aus den Solarzellen heraus?
Wenn du bei einem Solarpanel den Wirkungsgrad optimieren möchtest, kommt es unter anderem auf die Ausrichtung und Neigung der PV-Module an.
Vermeide Verschattungen, sorge für regelmäßige Reinigung und setze zudem auf bifaziale Solarmodule. Hier findest du die besten Tipps zum Optimieren deiner Solarzellen: Balkonkraftwerk – Optimale Ausrichtung für maximalen Ertrag
Wie verändert sich der Wirkungsgrad von Solarzellen im Schatten und im Winter?
Selbst an bewölkten Tagen bleibt der Ertrag moderner Solaranlagen meist nah am Maximum, da sie diffuses Licht gut verwerten. Bei vollständiger Bewölkung sinkt die Leistung jedoch auf etwa 10 bis 25 % der Maximalleistung. So liefert eine 10 kWp-Anlage im Schatten statt 30 kWh nur rund 3,5 kWh pro Tag.
Ein besonderes Problem stellt die Teilverschattung dar, etwa durch Bäume oder Satelliten-Antennen. Bei herkömmlichen, in Reihe geschalteten Modulen kann die Verschattung eines Solarmoduls den Ertrag der gesamten Reihe beeinflussen. In solchen Fällen sind Mikrowechselrichter sinnvoll, da sie den maximalen Ertrag jedes Moduls individuell optimieren.
Im Winter reduziert die geringere Sonneneinstrahlung die Erträge. Dennoch produzieren PV-Anlagen etwa 30 % des Jahresertrags zwischen Oktober und April. Als Richtwert gelten 350 kWh pro kWp im Winter, was für ein 100-Watt-Modul rund 30 Watt pro Tag bedeutet.
Mehr Infos: Balkonkraftwerk im Winter: Lohnt sich die Nutzung in der kalten Jahreszeit?
Gibt es einen “maximalen” Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Ja, theoretisch gibt es einen physikalischen Maximalwirkungsgrad für Solarzellen, die sogenannte „Shockley-Queisser-Grenze“. Diese Grenze besagt, dass Halbleiterkristalle nur einen Teil der Sonnenenergie in Strom umwandeln können; der restliche Teil wird unvermeidlich als Wärme abgegeben und geht so verloren.
Für herkömmliche Solarzellen aus einem einzigen Halbleitermaterial liegt der maximale Wirkungsgrad bei etwa 30 bis 40 %. Um diesen Wert zu übertreffen, arbeiten Forscher bereits an Solarzellen mit mehreren Materialübergängen (Mehrfach-Zellen), die deutlich höhere Wirkungsgrade ermöglichen.
PV-Forschung: Welche neuen Entwicklungen zum Wirkungsgrad von Solarzellen gibt es?
In der Forschung gibt es spannende Entwicklungen, die den Wirkungsgrad von Solarzellen in den nächsten Jahren deutlich steigern könnten. Während PERC-Solarzellen heute zum Standard gehören und durch ihre spezielle Rückseitenbeschichtung mehr Licht in Strom umwandeln, forscht die Wissenschaft an noch effizienteren Lösungen.
Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Zukunftstechnologie. Diese Dünnschichtmodule bestehen aus Halid-Perowskiten, einer Kombination aus organischen und anorganischen Halbleitern, die theoretische Wirkungsgrade von bis zu 34 % ermöglichen. Diese Module sind zudem kostengünstig herstellbar, bereits 2020 gelang südkoreanischen Forschern ein Wirkungsgrad von 25 %.
Tandem-Solarzellen bieten derzeit die höchsten Wirkungsgrade und kombinieren verschiedene Solarzelltypen, die jeweils verschiedene Anteile des Lichtspektrums nutzen. So gelang es dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) 2022, eine Solarzelle mit einer Effizienz von 47,6 % zu entwickeln. Diese Technologie hat theoretisch keine Obergrenze für den Wirkungsgrad.
Obwohl viele dieser Technologien noch in der Testphase sind, zeigen die Fortschritte, dass der Wirkungsgrad von Balkonkraftwerken und Photovoltaikanlagen in den kommenden 10 Jahren deutlich zunehmen dürfte.
Fazit
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist entscheidend für die Effizienz und Rentabilität einer Solaranlage, Photovoltaikanlage oder eines Balkonkraftwerks. Durch gezielte Maßnahmen wie regelmäßige Wartung, die Auswahl hochwertiger Materialien und eine optimale Ausrichtung lässt sich der Wirkungsgrad weiter verbessern und das volle Potenzial der Anlage ausschöpfen.
