Wirkungsgrad einer Solarzelle: so beeinflusst er die Stromproduktion

Kai Janßen
Zuletzt aktualisiert:
16/08/2021
Kategorie: Solarzellen

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle determiniert die Effizienz, mit der aus dem einfallenden Sonnenlicht Strom erzeugt werden kann. 

Zwischen unterschiedlich hergestellten Solarzellen bestehen große Unterschiede bezogen auf ihren Wirkungsgrad. In der praktischen Anwendung erzielen monokristalline Zellen den höchsten Wirkungsgrad.

Allerdings stellt der Wirkungsgrad der einzelnen Zellen nicht den Wirkungsgrad der gesamten Solaranlage dar. Denn andere Bauteile einer Solaranlage, wie etwa der Wechselrichter oder die Verkabelung können den Wirkungsgrad um bis zu 4% senken. 

Was ist unter dem Wirkungsgrad einer Solarzelle zu verstehen?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie hoch der Anteil der Energie des Lichts ist, die durch die Solarzelle in Strom umgewandelt wird.

In einer Solaranlage werden mittels des sogenannten „photoelektrischen Effekts“ Sonnenstrahlen in Strom umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt durch technische Limitierungen allerdings nicht zu 100%.

Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist, desto mehr Energie wird folglich in nutzbaren Strom umgewandelt. Um unterschiedliche Solarzellentypen zu vergleichen, kommt dem mit dem griechischen Buchstaben „Eta“ bezeichneten Wirkungsgrad deshalb eine besonders wichtige Rolle zu.

Die einzelnen Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die kleine "Kraftwerke" der PV-Anlage sind. Erfahren Sie alles über Solarzellen und lernen über den Aufbau, die Funktionsweise und welche Arten es gibt.

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Wovon hängt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab?

Solarzellen können aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein und sich somit stark in ihrem Wirkungsgrad unterscheiden. Am Markt dominiere derzeit allerdings Solarzellen mit Siliziumhalbleitern, weshalb sich die Analyse in der Praxis zumeist alleine auf diesen Zellentyp fokussiert.

Typ der Solarzellen 

Innerhalb der Solarzellen aus Silizium gibt es mehrere unterschiedliche Typen, die sich in ihrer Herstellungsweise und damit einhergehend ihrem Wirkungsgrad unterscheiden.

Halbleiter monokristalliner Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall. Diese Solarzellen verfügen über einen relativ hohen Wirkungsgrad in Höhe von zumeist 20 bis 22%. Allerdings ist ihre Herstellung relativ aufwendig und daher kostenintensiv.

Günstiger in der Herstellung und damit auch in der Anschaffung sind polykristalline Solarzellen, deren Halbleiter aus mehreren Siliziumkristallen bestehen. Da am Übergang zwischen den einzelnen Kristallen Energieverluste auftreten, ist der Wirkungsgrad polykristalliner Zellen geringer als derjenige monokristalliner Solarzellen. Er beträgt zumeist zwischen 15 und 20%.

Bei sogenannten Dünnschichtzellen sind die einzelnen Siliziumkristalle am kleinsten, weshalb hier viele Übergangszonen entstehen und der Wirkungsgrad dadurch abnimmt. Er beträgt nur etwa 10%. Dieser Nachteil wird aber durch sehr geringe Produktionskosten aufgewogen.

Monokristalline Solarzellen sind die effizienteste Art von Solarzellen auf dem heutigen Markt. Sie sind teuer, verfügen jedoch über eine hohen Wirkungsgrad.

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Aufgrund ihres geringen Preises erfreuen sich polykristalline Solarzellen einer großen Beliebtheit und nehmen derzeit einen Marktanteil von circa 70% ein.

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Alterungsprozess

Neben dem starren, herstellungsbedingten Wirkungsgrad, ist bei Photovoltaikanlagen auch ein Alterungsprozess zu beobachten. Jährlich nimmt der Wirkungsgrad je nach Zellentyp um etwa 0,5% bezogen auf den ursprünglichen Wirkungsgrad ab.

Überhitzung der Solarzellen

Darüber hinaus reduziert sich der Wirkungsgrad in Abhängigkeit zur Temperatur der Solarzelle. Insbesondere bei voller Sonneneinstrahlung können Solaranlagen über 60 °C warm werden. Dadurch erzielen sie nicht ihren maximalen Wirkungsgrad.

Einfluss von Sonnenlicht

Der Wirkungsgrad einer Solaranlage wird auch durch das Sonnenlicht selbst determiniert. Schließlich handelt es sich bei diesem Licht um ein Bündel aus unterschiedlichen Frequenzen. Da eine gewöhnliche Solarzelle nur einen bestimmten Teil dieses Spektrums nutzen kann, liegt ihr Wirkungsgrad immer deutlich unter 100%. 

Monokristalline Solarzellen können deshalb einen maximalen Wirkungsgrad von 33% erreichen. Mit hochmodernen Anlagen kann diese Grenze allerdings überschritten werden.

Wirkungsgrad von Solarzellen und Leistung der Photovoltaikanlage

Die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung liegt in Deutschland bei ungefähr 1.000 Kilowattstunden. Vergleicht man diesen Wert mit der tatsächlichen Menge an durch ein Solarmodul erzeugten Strom, stellt man schnell fest, dass neben der Beschränkung durch den Wirkungsgrad der Solarzellen weitere Verluste auftreten.

Deshalb ist für die Bewertung einer Solaranlage nicht nur der Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen, sondern der Gesamtwirkungsgrad der Anlage entscheiden. Dieser Gesamtwirkungsgrad wird auch von anderen Bauteilen als der Solarzelle stark beeinflusst.

Wirkungsgradverluste entstehen beispielsweise am Wechselrichter. Dieses Bauteil wandelt den in der Solarzelle erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um, wodurch Umwandlungsverluste entstehen.

Auch in den Stromleitungen der Anlage entstehen in Abhängigkeit von ihrer Länge und ihrem Querschnitt Transportverluste. Diese sind besonders hoch, je länger die Transportstrecke für den Wechselstrom ist. Insgesamt können alle weiteren verbauten Teile einer Solaranlage den Wirkungsgrad der Solarzellen um bis zu 4% senken.

Höhere Wirkungsgrade in Zukunft - ein Ausblick

Gewöhnliche Solarzellen können nur einen Ausschnitt aus dem Spektrum des Sonnenlichts in Strom umwandeln.

Um den dadurch theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 33% zu überschreiten, arbeiten Forscher daran, bei Solaranlagen der Zukunft mehrere Halbleiterschichten zu integrieren. Jede dieser Schichten nutzt dabei einen anderen Teil des Lichtspektrums. Hierdurch kann der Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle erheblich gesteigert werden. In Laborversuchen konnte bei einer aus 140 Schichten bestehenden Solarzelle ein Wirkungsgrad von 47,1% gemessen werden.

Neben dem Streben nach immer neuen absoluten Wirkungsgradrekorden steht auch die Erhöhung des Wirkungsgrads bei gleichzeitiger Verbesserung anderer Eigenschaften einer Solarzelle im Fokus der Wissenschaft.

So gelang es dem Helmholtz Zentrum Berlin eine sogenannte Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 24,16 % herzustellen. Dieser Solarzellentyp besteht aus zwei photoaktiven Schichten. Der Vorteil dieser Bauweise besteht darin, dass die fertigen Solarzellen flexibel und äußerst leicht sind. Aus diesem Grund könnten sie bevorzugt in der Raumfahrt eingesetzt werden.

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