Bei der Konfiguration unserer neuen Photovoltaikanlage wollen wir natürlich so viel Solarstrom wie möglich aus den zur Verfügung stehenden Sonnenstrahlen herausholen. Klar, mehr ist immer besser. Bei sauberer Energie aus der Solaranlage sowieso. Vielleicht wollen wir mit dem Strom ja nicht nur unseren Haushalt die nächsten 20 bis 30 Jahre mit Power aus Photovoltaik versorgen, sondern auch noch eine Wärmepumpe betreiben. Wir brauchen also Solarmodule, die Sonnenstrahlen besonders effizient in Strom verwandeln. Genau dieses Verhältnis beschreibt der Wirkungsgrad von Solarzellen. Wie wir diesen berechnen können, welches Solarmodul den besten Wirkungsgrad hat und welche Faktoren noch eine Rolle spielen, damit wir ordentlich Saft aus unserer Photovoltaikanlage abfüllen können, verraten wir Ihnen gerne.
Was ist der Wirkungsgrad?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie effizient sie das Licht der Sonne in elektrische Energie umwandeln kann. Denn das geschieht natürlich nicht 1:1. Damit wir eine Vorstellung davon bekommen, wie viel Sonnenenergie rein geht und wie viel Strom wieder raus kommt, wird der Wirkungsgrad in Prozent ausgedrückt. Er beschreibt also das Verhältnis der erzeugten elektrischen Leistung zur eingestrahlten Lichtleistung. Der Wirkungsgrad der Solarzellen allein ist jedoch nicht der einzige Indikator, auf den wir achten sollten, wenn wir die gesamte Leistung unserer neuen PV-Anlage einschätzen möchten. Doch schauen wir uns zunächst an, welche Solarmodule es gibt und welche die besten Wirkungsgrade aufweisen.
Welche Arten von Solarmodulen gibt es?
Die wichtigsten Modelle, mit denen wir uns befassen sollten, sind monokristalline und polykristalline Solarmodule. Sie sind die gängigsten auf dem Markt – vor allem, wenn es um Photovoltaikanlagen für private Haushalte geht. Außerdem gibt es noch Dünnschichtmodule, diese kommen jedoch für unser Eigenheim meist weniger in Frage, sondern finden besonders in der Industrie oder anderen gewerblichen Einrichtungen Einsatz. Warum? Das erfahren wir jetzt.
Wirkungsgrade der unterschiedlichen Solarzellen
Nun kommen wir zu den harten Fakten. Denn die interessieren uns hier natürlich brennend. Welche Solarmodule haben den besten Wirkungsgrad und wie viel ist überhaupt viel?
Dünnschichtzellen
Dünnschichtzellen sind eine Art von Solar-Modulen, bei denen dünne Schichten halbleitenden Materials genutzt werden, um Solarenergie zu erzeugen. Im Gegensatz zu den genannten Silizium-Solarzellen (monokristallin und polykristallin), die eine dicke Schicht aus kristallinem Silizium verwenden, bestehen Dünnschichtzellen aus Materialien wie amorphem Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder organischen Verbindungen. Dadurch sind die Dünnschichtzellen leicht und flexibel. Zudem bieten sie eine verhältnismäßig hohe Absorptionseffizienz bei diffusem Licht (also bei bewölktem Himmel). Klingt alles gut – jetzt der solare Dämpfer: Der Wirkungsgrad liegt, je nach verwendetem Material, zwischen 7 und 15 Prozent. Um einen ganzen Haushalt versorgen zu können, bräuchten wir also eine ziemlich große Dachfläche – die haben wir zuhause meist nicht zur Verfügung.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen sind der solare Spitzenreiter, wenn es um den Modulwirkungsgrad geht. Dieser liegt bei bis zu 24 Prozent. Das bedeutet vereinfacht gesagt, dass 24 Prozent der Sonneneinstrahlung später zu Solarstrom wird. Sie sind im Verhältnis etwas teurer als die alternativen Module – dafür sind sie eben effizienter und nehmen dadurch im Verhältnis auch weniger Platz auf dem Dach in Anspruch. Gibt es also nur begrenzt Kapazitäten auf dem Hausdach und wollen wir das meiste aus den Sonnenstrahlen herausholen, sind monokristalline Zellen die beste Wahl und rechnen sich auf lange Sicht eigentlich immer. Auf den ersten Blick erkennen wir die monokristallinen Module übrigens an ihrer dunklen oder schwarzen durchgängigen Färbung. Auf Platz zwei im Wettbewerb um die beste Leistung von Modulen sind polykristalline Zellen.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Zellen sind aufgrund ihrer Zusammensetzung etwas günstiger als die Monokristallinen. Denn wie der Name schon vermuten lässt, bestehen sie aus mehreren Kristallen, die auf dem Modul zusammenfinden. Das erkennen wir auch an der Optik. Die polykristallinen Zellen sind meist blau und zeigen eine Musterung. Bei den Monokristallinen braucht es zur Herstellung im Gegensatz dazu einen einzelnen Kristall. Dass die Züchtung eines großen Kristalls aufwendiger und somit die Kosten höher sind als bei der Herstellung vieler kleiner Kristalle, liegt auf der Hand und erklärt den leicht erhöhten Preis. Die Kristalle bestehen übrigens in beiden Fällen aus Silizium. Nun noch schnell der Hardfact zur polykristallinen Solarzelle: Ihr Wirkungsgrad liegt bei 15 bis 20 Prozent.
Die Zukunft der Photovoltaik
Aktuell sind die monokristallinen Module die Spitzenreiter. Doch natürlich wird immer weiter daran gearbeitet, den Wirkungsgrad von Solarmodulen in die Höhe zu treiben. So forscht beispielsweise das Fraunhofer Institut bereits seit Jahren an einem Projekt, das den Namen “50Prozent” trägt*. Das ambitionierte Ziel: Eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 50 Prozent. Mitte 2022 gelang den Forscherinnen und Forschern einen Durchbruch – sie entwickelten eine Solarzelle mit 47,6 Prozent Wirkungsgrad**. Bis wir uns Solarzellen auf das Dach schrauben können, die eine solche Effizienz aufweisen, wird es wohl noch etwas dauern. Trotzdem zeigen die Bestrebungen ganz klar: Photovoltaik ist die Zukunft.
Wie berechnet man den Wirkungsgrad von Zellen in der Photovoltaik?
Den Wirkungsgrad einer Solarzelle berechnen wir, indem wir die erzeugte elektrische Leistung durch die eingestrahlte Lichtleistung dividieren. Das Ergebnis multiplizieren wir anschließend mit 100, um den Wert in Prozent auszudrücken.
Die allgemeine Formel zur Berechnung des Wirkungsgrads einer Solarzelle lautet also:
Wirkungsgrad = (Erzeugte elektrische Leistung / Eingestrahlte Lichtleistung) * 100
Um den Wirkungsgrad bestimmen zu können, müssen wir also zunächst die erzeugte elektrische Leistung kennen, die von unserer Solarzelle erzeugt wird. Diese wird in Watt gemessen. Sie kann durch Messungen oder Datenblätter des Herstellers ermittelt werden. Weiterhin benötigen wir Informationen zur Lichtleistung. Die Menge der Licht-Einstrahlung auf die Module wird ebenfalls in Watt angegeben. Hier spielen wiederum verschiedenen Einflussfaktoren eine Rolle. Darunter die Intensität der Einstrahlung, der Einfallswinkel und eine eventuelle Verschattung.
Nun haben wir den theoretischen Wirkungsgrad errechnet. In der Praxis wird dieser jedoch von der Qualität der Solarzelle, den Einstrahlungsbedingungen und auch der Betriebstemperatur beeinflusst.
Der Standard zur Wirkungsgrad-Berechnung
Der Standardtest zur Berechnung des Wirkungsgrades von Solarzellen verbirgt sich hinter dem Kürzel STC – also Standard Test Conditions. Er bezieht sich also auf den Wirkungsgrad, der unter standardisierten Bedingungen gemessen wird – quasi unter Laborbedingungen. Diese umfassen eine Lichtleistung von 1000 Watt pro Quadratmeter, eine Zelltemperatur von 25 Grad Celsius und eine Luftmasse von 1,5 AM (Air Mass).
Der STC-Wirkungsgrad ist eine standardisierte Messgröße, die es ermöglicht, den Wirkungsgrad und somit die Nennleistung von Solarzellen unter einheitlichen Bedingungen zu bewerten und zu vergleichen. Der STC-Wirkungsgrad kann dadurch von der tatsächlichen Leistung der Module unter realen Bedingungen abweichen. Darum gibt es neben dem STC-Wirkungsgrad, auch noch den Wirkungsgrad unter realen Bedingungen. Dieser nennt sich „Nominal Operating Cell Efficiency“ bzw. NOCT-Wirkungsgrad.
Wovon ist der Wirkungsgrad der Solarmodule abhängig?
Wir sehen also, dass der Wirkungsgrad der Solarzellen in der Photovoltaik von verschiedenen Punkten beeinflusst wird. Aber welche sind das genau? Hier nochmal ein Überblick:
Die Technologie der Solarzellen
Wie bereits besprochen, hat es eine große Auswirkung auf die Wirkungsgrade, ob wir monokristalline Solarzellen, polykristalline Siliziumzellen oder Dünnschicht-Module verwenden. Neben den Technologien wirkt sich auch die Qualität der Materialien aus.
Die Lebensdauer der Zellen
Ein hoher Wirkungsgrad der Zellen geht auf lange Sicht natürlich auch mit ihrer Lebensdauer einher. Denn logischerweise produzieren hochwertige Module in 30 Jahren mehr Strom als minderwertige, die schon nach 15 Jahren schlapp machen.
Die Temperatur
Je besser der Sommer, desto besser die Leistung? Nicht direkt, denn Solarzellen wollen Licht, keine Hitze. Das bedeutet, die Betriebstemperatur der Solarmodule hat einen Einfluss auf unseren Wirkungsgrad. Höhere Temperaturen können zu einem Anstieg des internen Widerstands führen und somit den Wirkungsgrad verringern.
Die Intensität des Sonnenlichts
Natürlich hat es auch eine Auswirkung auf unsere Wirkungsgrade, wie viel Sonne unsere Solarzellen abbekommen. Sie sind also abhängig von der Einstrahlungsintensität des Sonnenlichts. Höhere Sonneneinstrahlung führt auch zu einer höheren Leistungsausbeute.
Der Einfallswinkel des Sonnenlichts
Damit die Solarzellen das Licht optimal absorbieren können, sollten sie möglichst senkrecht auf die Module treffen. Ist das nicht der Fall, kann die Einstrahlung den Wirkungsgrad also verringern. Die Neigung und Ausrichtung unserer Anlage sollten wir dementsprechend anpassen.
Die Verschattung des Moduls
Eigentlich logisch: Treffen Schatten von Bäumen, Gebäuden oder anderen Hindernissen auf unsere Solarzellen und stören den Lichteinfall auf bestimmte Zellen oder Zellgruppen, wird das den Wirkungsgrad reduzieren.
Weitere Einflüsse auf den Wirkungsgrad in der Photovoltaik
Nun haben wir bereits eine Menge über die Wirkungsgrade von Solarzellen gelernt und wissen, worauf es ankommt, damit kristalline Zellen Höchstleistungen erbringen. Doch natürlich sind auch die anderen Komponenten der Anlage ausschlaggebend dafür, wie hoch der Wirkungsgrad unserer gesamten PV-Anlage ausfällt.
Die Auswirkungen des Wechselrichters
Unsere Photovoltaikanlage braucht einen Wechselrichter, denn der wandelt den von unseren Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in den für unser Stromnetz nutzbaren Wechselstrom um. Und auch der Wechselrichter beeinflusst unseren Wirkungsgrad. Ein wichtiges Merkmal ist dabei der Konversionswirkungsgrad des Wechselrichters. Er gibt an, wie effizient die Umwandlung des Stroms erfolgt. Weiterhin können Wechselrichter verschiedene Arten von Verlusten verursachen, die unsere Wirkungsgrade ebenso beeinträchtigen. Dazu gehören Leerlaufverluste (also der Stromverbrauch des Wechselrichters im Leerlauf), Umwandlungsverluste (Verluste beim Umwandeln des Stroms) oder Übertragungsverluste (Verluste bei der Übertragung der erzeugten Energie). Gute Wechselrichter wandeln die Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent um. Nun haben wir unseren Strom also effizient umgewandelt. Aber worauf sollten wir neben dem Wechselrichter noch achten, um die Effizienz und damit auch die Wirtschaftlichkeit unserer Photovoltaikanlage in die Höhe zu treiben?
Der Stromspeicher und sein Wirkungsgrad
Der Stromspeicher weist ebenfalls einen Wirkungsgrad auf, den wir mit in unsere Auswahl einbeziehen sollten. Hier unterscheiden wir zwischen Blei-Akkus und Lithium-Ionen- oder Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Blei-Akkus verlieren in der Photovoltaik zusehends an Bedeutung. Der Grund? Natürlich der Wirkungsgrad: Der ist bei den beiden Alternativen deutlich höher. Hier ist die Wahl für unsere PV-Anlage also schnell getroffen.
Der Performance Ratio der Anlage
Neben dem Wirkungsgrad hat sich in Bezug auf die Photovoltaikanlage auch der sogenannte Performance Ratio (PR) als Kennzahl einen Namen gemacht. Dieser Wert beschreibt das Verhältnis vom offiziell angegebenen Wirkungsgrad einer Anlage zum tatsächlichen Ertrag der Anlage an. Er wird also berechnet, indem man den tatsächlichen Ertrag der Anlage durch die theoretisch mögliche Energieerzeugung dividiert.
Eine Photovoltaikanlage von Energieversum
Mit einer Photovoltaikanlage von Energieversum können Sie sich auf eine hochwertige Qualität der Komponenten verlassen. Diese sorgen dafür, dass die Leistung Ihrer PV-Anlage auch in vielen Jahren zur Wirtschaftlichkeit Ihres Solar-Vorhabens beiträgt. Mit hochwertigen Solarzellen, einem Speicher, der für einen hohen Eigenverbrauch sorgt und einem Wechselrichter, der einen guten Wirkungsgrad der Anlage sicherstellt. Überlassen Sie das ausgewogene Verhältnis zwischen Kosten und Ertrag für Ihre Anlage nicht dem Zufall und lassen Sie sich von unseren Expertinnen und Experten beraten. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.
