Solarzelle Wirkungsgrad - Das Wichtigste in Kürze
Der Wirkungsgrad von Solarzellen hat einen erheblichen Einfluss auf den Ertrag einer Photovoltaikanlage.
- Zellentyp: Monokristalline Solarzellen erreichen den höchsten Wirkungsgrad.
- Einflussfaktoren: Der Wirkungsgrad hängt von der Bauweise, den Witterungsverhältnissen, der Umgebungstemperatur und dem Alter einer Solarzelle ab.
- Forschung: Neue Zelltechnologien erreichen höhere Wirkungsgrad. Der Weltrekord liegt bei über 47 Prozent, Tendenz steigend.
Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Eine Solarzelle wandelt Sonnenstrahlung in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad misst die Effizienz einer Solarzelle. Er ist das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Energie zur empfangenen Lichtenergie. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle lässt sich daran ablesen, wie nahe der Quotient ihrer beiden Leistungen bei 100 % liegt.
Welchen Wirkungsgrad erreichen Solarzellen?
Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent. Dabei unterscheidet sich der Wirkungsgrad je nach Zelltyp. Monokristalline Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad zwischen 16 und 24 Prozent. Polykristalline Solarzellen hingegen erreichen nur 15 bis 20 Prozent. Dünnschicht-Solarzellen erreichen lediglich 14 Prozent, während CIGS- und CIS-Solarzellen bis zu 22 Prozent erreichen. Diese beiden Solarzellen werden aber selten verwendet.
Zellentyp | Wirkungsgrad |
| Monokristalline Solarzellen | 16 – 24 % |
| Polykristalline Solarzellen | 15 – 20 % |
| Dünnschicht-Solarzellen | 10 – 14 % |
| CIGS- und CIS-Solarzellen | 17 – 22 % |
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen sind Solarzellen, die aus monokristallinem Silizium bestehen. Sie haben ein homogenes Kristallgitter, was dazu führt, dass in den Grenzbereichen der verschiedenen Kristalle kein Energieverlust auftritt. Dadurch erreichen sie hohe Wirkungsgrade von 16 bis 24 Prozent.
Aufgrund des hohen Wirkungsgrads sind sie die meistgenutzten Zelltypen. Dafür sind sie aber auch die teuerste Art von Solarzellen.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen haben einen geringeren Wirkungsgrad von maximal 20 Prozent. Sie sind aber kostengünstiger in der Herstellung als monokristalline Solarzellen und wiesen lange Zeit das beste Preis-Leistungs-Verhältnis auf. Der Markt hat sich jedoch verlagert, und die Produktion von polykristallinen Solarzellen ist deutlich zurückgegangen, so dass das Preisargument irrelevant geworden ist.
Dünnschicht-Solarzellen
Dünnschichtzellen bestehen aus organischen Verbindungen. Diese Solarzellen können verschiedene Formen haben, z. B. transparente und biegsame Folien. Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen ist derzeit gering. Dieser liegt bei lediglich 10 bis 14 Prozent. Deswegen finden sie nur selten Anwendung.
Anorganischen Solarzellen
Anorganische Solarzellen weisen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent auf, doch ist ihr Einsatz aufgrund der höheren Herstellungskosten in erster Linie auf bestimmte Anwendungen beschränkt. Außerdem schreckt die ungünstige Toxizität bestimmter Metalle, die in diesen Zellen verwendet werden, von einer breiten Anwendung ab.
Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad?
Der von Herstellern angegebene Wirkungsgrad ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad. Dieser wird jedoch von mehreren Faktoren beeinflusst.
- Bauweise: Der Wirkungsgrad hängt stark vom Zelltyp ab. Diese verwenden verschiedene Techniken und Materialien für die Herstellung von Solarzellen.
- Witterungsverhältnisse: Leichte Bewölkung kann den Wirkungsgrad von Solarzellen positiv beeinflussen. Sie streuen das Licht und lenken es in verschiedenen Winkeln auf die Solarzelle, was den Wirkungsgrad verbessert. Mittlere bis starke Bewölkung hingegen verringert die Sonneneinstrahlung und somit den Wirkungsgrad.
- Umgebungstemperatur: Steigen die Temperaturen, nimmt der Wirkungsgrad von Solarzellen ab. Im Durchschnitt sinkt der Wirkungsgrad um etwa 0,4 Prozent für jeden Grad Celsius Temperaturerhöhung. Dies bedeutet, dass die an einem sonnigen Frühlingstag erzeugte Leistung größer sein kann als an einem heißen Sommertag.
- Alter: Solarzellen haben eine begrenzte Lebensdauer. Mit zunehmendem Alter nehmen ihr Wirkungsgrad und ihre Leistung ab, was als Degradation bezeichnet wird. Bei kristallinen Solarzellen liegt die Degradation bei durchschnittlich 0,3 Prozent pro Jahr. Das gleicht einer Degradation von 3 Prozent pro 10 Jahre. Die meisten Hersteller gewährleisten eine Leistungsgarantie von mindestens 80 Prozent nach 20 Jahren.
Damit man den höchstmöglichen Ertrag erzielt, empfiehlt sich eine ausführliche Planung durch ein Fachunternehmen. Dieser nimmt all die Einflussfaktoren des Wirkungsgrads in Betracht und legt die PV-Anlage so aus, dass man den meisten Ertrag erzeugt. Mit dem unterliegenden Formular verbinden wir mit regionalen Fachunternehmen, wodurch man bis zu 30 Prozent der Kosten spart.
Wie wird der Wirkungsgrad einer Solarzelle ermittelt?
Die Leistung der Solarzelle wird durch Multiplikation der gemessenen Werte für Strom und Spannung am Ausgang ermittelt. Der daraus resultierende elektrische Leistung wird anschließend durch die eingestrahlte Leistung geteilt, um den Wirkungsgrad der Zelle zu berechnen.
Wirkungsgrad = Elektrische Leistung Solarzelle / Elektrische Leistung Sonnenlicht
Der Wirkungsgrad wird unter Standardtestbedingungen (kurz STC, aus dem englischen Standard Test Conditions) ermittelt. Die Standardtestbedingungen erlauben einen weltweiten Vergleich der Leistungsdaten verschiedener Solarmodule. Somit sind die Testergebnisse konsistent und vergleichbar, da sie der Bestimmung standardisierter Betriebsparameter folgen. Diese sind:
- Einstrahlung: 1.000 W/m²
- Solarzellentemperatur: 25 °C
- Spektralverteilung des Lichtes nach Atmosphärendicke: AM = 1,5
Diese Testbedingungen sind in der Praxis jedoch selten gegeben. Deswegen wird der Wirkungsgrad mittlerweile auch unter Normalbedingungen ermittelt. Dieser wird als NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) bezeichnet. Hier werden folgende Testbedingungen genutzt:
- Einstrahlung: 800 W/m²
- Solarzellentemperatur: 45° ± 3° C
- Spektralverteilung des Lichtes nach Atmosphärendicke: AM = 1,5
- Windgeschwindigkeit: 1 m/s
Warum ist der Wirkungsgrad von Solarzellen niedrig?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist aufgrund der von der Zelle abgegebenen Wärmestrahlung und der Unfähigkeit, die einfallende Lichtenergie vollständig in elektrische Energie umzuwandeln, auf Werte zwischen 30 und 40 % begrenzt (bekannt als Shockley-Queisser-Grenze).
Die genannte Einschränkung gilt jedoch nur für Solarzellen mit einem einzigen p-n-Übergang. Durch die Verwendung mehrerer Zellen ist es möglich, höhere Wirkungsgrade zu erzielen.
Kann man den Wirkungsgrad einer Solarzelle erhöhen?
Mit Wirkungsgraden von maximal 24 Prozent, sind Solarzellen noch wenig effizient. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird an neuen Zelltechnologien geforscht. Anbei folgen die meist versprechendsten Zelltypen:
- PERC-Solarzellen: Durch die Rückseitenpassivierung von herkömmlichen Solarzellen, lässt sich der Wirkungsgrad um etwa 1 Prozent erhöhen. Die Rückseitenpassivierung erlaubt es, nicht aufgenommene Sonnenstrahlung zurück in die Zelle zu reflektieren. Dadurch wird anteilig mehr Sonnenlicht aufgenommen und der Wirkungsgrad erhöht sich.
- Perowskit-Solarzellen: Werden derzeit aufgrund ihres kostengünstigen Herstellungsverfahrens und ihrer hohen Effizienz erforscht. Diese Zellen können grünes und blaues Licht in Strom umwandeln und erreichen Wirkungsgrade von 20 Prozent und mehr. Sie können auch mit anderen Materialien kombiniert werden, um Tandemsolarzellen zu bilden.
- Hybrid- oder Tandem-Solarzelle: Befinden sich noch in der Entwicklungsphase und nutzen eine Kombination photoaktiver Schichten, um mehrere Bereiche des Sonnenlichtspektrums für die Stromerzeugung nutzbar zu machen. In Labortests wurden bereits beträchtliche Wirkungsgrade von über 40 Prozent nachgewiesen.
Sind Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad besser?
Für Einfamilienhäuser werden monokristalline Solarzellen aufgrund des hohen Wirkungsgrads bevorzugt. Allerdings ist der Wirkungsgrad nicht der einzige Faktor, der bei der Auswahl von Solarzellen für den praktischen Einsatz zu berücksichtigen ist. Weiter sollten man folgenden Faktoren berücksichtigen:
- Schwachlichtverhalten,
- Temperaturkoeffizient,
- Kosten und
- Degradation.
Letztendlich wird der richtige Zellentyp je nach Anwendung ermittelt. Zum Beispiel lohnt sich auf Freiflächenanlagen für Solarparks polykristalline über monokristalline Solarzellen. Der geringere Wirkungsgrad wird durch die geringeren Kosten kompensiert. Es sind zwar mehr PV-Module notwendig, dennoch fällt die Rendite höher aus.
Warum ist der Wirkungsgrad einer PV-Anlage niedriger als der einer Solarzelle?
Eine PV-Anlage besteht aus mehreren Bauteilen, die durch Verluste den erzeugten Ertrag nicht vollständig nutzen lassen. Einerseits verliert sich eine geringe Menge des Solarstroms in den Solarkabeln, andererseits kann der Wechselrichter nur bis zu 98 Prozent des Gleichstroms in Wechselstrom umwandeln.
Aus diesem Grund ist eine fachkundige Planung und Installation von höchster Wichtigkeit. Alle Bauteile müssen aufeinander abgestimmt sein, um die Verluste möglichst zu beschränken. Mit dem unterliegenden Formular verbinden wir mit bis zu 5 Solarteuren aus der Regionen. Durch den Angebotsvergleich spart man bis zu 30 Prozent der Kosten.
Die mit * gekennzeichneten Links sind sogenannte Affiliate Links. Kommt über einen solchen Link ein Einkauf zustande, werden wir mit einer Provision beteiligt. Für Sie entstehen dabei keine Mehrkosten.
Wir haben Kooperationen mit verschiedenen Partnern. Unter anderem verdienen wir als Amazon-Partner an qualifizierten Verkäufen.
