Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist entscheidend für den Ertrag von Photovoltaik. In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie der Wirkungsgrad definiert wird und welche PV-Module den höchsten Wirkungsgrad erzielen.
Auf diese Fragen geht der Artikel ein:
- Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
- Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen berechnet?
- Wie wird der Wirkungsgrad einer Solarzelle gemessen?
- Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarmodulen
- Ist der Solarzellen-Wirkungsgrad entscheidend für die Leistung der PV-Anlage?
- Wirkungsgrad von Photovoltaik im Winter
- Wirkungsgrad der Solarzellen bei diffusem Licht
- Wirkungsgrad von Solarzellen im Schatten
- Rekord: Neue Solarzellen mit 47,6 % Wirkungsgrad
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Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel Prozent der Sonnenstrahlung in Strom umgewandelt werden kann. Er ist also Indikator für die Leistung einer Solarzelle. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom können die Zellen umwandeln. Monokristalline Solarzellen haben meist einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline.
Der Wirkungsgrad wird allerdings unter bestimmten Testbedingungen gemessen. Die tatsächliche Leistung eines PV-Moduls kann deshalb von diesem, sowohl nach unten als auch nach oben, abweichen.
Der Wirkungsgrad ist nur einer von vielen Faktoren, die Einfluss auf die Solarpanel-Leistung haben. Zu weiteren zählen der Aufstellort, die Dachneigung, Verschattung und die Größe des PV-Moduls.
Solarmodule mit 400 Watt oder 500 Watt haben daher nicht unbedingt einen höheren Wirkungsgrad als Solarmodule mit 300 Watt. Sie sind in der Regel einfach nur größer.
Solarzellen-Wirkungsgrad: Bestenliste
In der folgenden Tabelle haben wir eine Übersicht mit allen Arten von Solarzellen und ihren durchschnittlichen Wirkungsgraden erstellt. Die am häufigsten verbauten Solarzellen im privaten Bereich sind polykristalline und monokristalline Zellen. Dünnschichtzellen kommen etwas seltener zum Einsatz. Organische Solarzellen und CIGS-Zellen werden kaum verwendet.
| Solarzellenart | Wirkungsgrad |
|---|---|
| Monokristalline Solarzellen | 18-24% |
| Polykristalline Solarzellen | 15-20% |
| Amorphe Dünnschichtzellen | 10-15% |
| Organische Dünnschichtzellen | 7-10% |
| CIGS- / CIS-Zellen | 15% |
Wirkungsgrad: monokristalline Solarzellen
Im Schnitt erzielen monokristalline Solarzellen Wirkungsgrade von 18 bis 24%. Der Name monokristallin weist darauf hin, dass die Zellen aus nur einem (mono) Siliziumkristall bestehen. Dieser Kristall sorgt für die dunkelblaue bis schwarze Färbung der Zellen. Der Herstellungsprozess aus einem Kristall ist sehr aufwändig, weshalb monokristalline PV-Module teurer sind als polykristalline.
Monokristalline PV-Module mit dem höchsten Wirkungsgrad
In der folgenden Tabelle finden Sie eine Übersicht von ausgesuchten Solarmodul-Herstellern, die monokristalline Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von über 20 % produzieren.
Platz | Hersteller | PV-Modul | Wirkungsgrad | Modulart | Nennleistung | Datenblatt |
|---|---|---|---|---|---|---|
1 | SunPower | MAXEON 3 | 22,6% | Monokristallin | 390-400 Wp | |
2 | LG Solar | Neon R | 22,1% | Monokristallin | 390-400 Wp | |
3 | Meyer Burger | White | 21,7% | Monokristallin | 380-400 Wp | |
4 | REC | Alpha Series | 21,7% | Monokristallin | 360-380 Wp | |
5 | JinkoSolar | Tiger Pro 60HC | 21,32% | Monokristallin | 440-460 Wp | |
6 | Energetica | e.Prime M HC | 21,09% | Monokristallin | 365-390 Wp | |
7 | Trina Solar | HoneyM TSM-DE08M.08(II) | 21,0% | Monokristallin | 360-385 Wp | |
8 | Q CELLS | Q.PEAK DUO-G9 | 20,9% | Monokristallin | 335-355 Wp | |
9 | Axitec | AXIpremium XL HC | 20,86% | Monokristallin | 360-380 Wp | |
10 | Hyundai | VG SERIES - HiE | 20,7% | Monokristallin | 385-405 Wp |
Wir haben darüber hinaus zahlreiche Hersteller und PV-Module genauer unter die Lupe genommen und in unserem Test gegenübergestellt. Schauen Sie rein!
Wirkungsgrad: polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen erzielen einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 %. Die Solarzellen werden aus mehreren (poly) Siliziumkristallen hergestellt. Polykristalline Zellen haben eine charakteristische, blaue Färbung. Der Herstellungsprozess ist durch das Verwenden mehrerer Siliziumkristalle etwas einfacher. Die PV-Module liegen preislich deshalb im mittleren Feld.
Wirkungsgrad: Dünnschicht-Solarzelle
Dünnschicht Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 10 bis 15 %. Ihre Besonderheit besteht darin, dass sie extrem dünn und flexibel sind. Die Herstellung von Dünnschichtzellen ist wesentlich einfacher als die der kristallinen. Das Silizium wird nämlich einfach aufgedampft oder aufgedruckt. Der Preis von Dünnschichtsolarzellen ist deshalb niedriger.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist nicht gleichzusetzen mit dem Wirkungsgrad des Solarmoduls oder gar der ganzen Anlage. Durch das Verbauen der Solarzellen in einem Modul entstehen sogenannte Übergangsverluste. Ebenso entstehen Verluste durch andere Bauteile der PV-Anlage, wie Kabel und Wechselrichter. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle bezieht sich einzig auf die Leistung einer Zelle.
Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen berechnet?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird berechnet, indem man den erzeugten Solarstrom durch die zugeführte Energie, also die Einstrahlung der Sonne, teilt. Bei der Umwandlung von Energie entstehen immer Verluste durch Reibung und Wärme. Je geringer die Verluste, desto höher der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad kann allerdings nie 1 (100 %) betragen.
Wie wird der Wirkungsgrad einer Solarzelle gemessen?
Damit man die Leistung von Solarzellen aussagekräftig miteinander vergleichen kann, wurden standardisierte Testbedingungen (STC) eingeführt. STC steht für Standard Test Conditions und beschreibt eine Leistungsmessung bei 1.000 Watt Einstrahlung, 25 °C Zelltemperatur und einer Luftmasse von 1,5.
Bei diesen Bedingungen handelt es sich jedoch um Laborbedingungen, die nicht wirklich praxisnah sind. In der Realität sind die PV-Wirkungsgrade meist etwas niedriger. Das liegt an unterschiedlichen Einflussfaktoren.
Um realistischere Bedingungen abzubilden, hat man deshalb die NOCT-Bedingungen eingeführt.
NOCT bedeutet Nominal Operating Cell Temperature, also die Temperatur der Zellen im Normalbetrieb. Dieses Set aus Bedingungen ist der Realität wesentlich näher. Zu den Bedingungen gehören:
- Temperatur eines Frühlingstages in Mitteleuropa: 20°
- Betriebstemperatur eines Frühlingstages: 45°
- Solare Einstrahlung an einem südlichen Sommertag: 800 W/m²
- Eine geringe Windgeschwindigkeit von 1 m/s
- Strahlung einer schräg stehenden vor- oder nachmittags Sonne
- Elektrischer Leerlauf der Anlage
In der Zulassungsprüfung einer PV-Anlage werden auch die NOCT-Werte gemessen. Solaranlagen mit dem Gütezeichen RAL-GZ 966 müssen die Leistungsangaben der NOCT-Werte auf dem Modul-Datenblatt angeben.
Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarmodulen
Sonneneinstrahlung
Je höher die Einstrahlung auf die Solarzellen ist, desto mehr elektrische Energie wird erzielt. In Deutschland liegt die durchschnittliche Sonneneinstrahlung bei 1.000 kWh im Jahr. Wobei sie im Norden etwas darunter liegt und im Süden darüber.
Bei der Temperatur ist es leider genau umgekehrt. Je stärker sich die Solarzellen durch eine hohe Umgebungstemperatur und starke Sonneneinstrahlung erwärmen, desto geringer wird ihre Effizienz. Dem kann man nur mit einer guten Hinterlüftung der Solarmodule oder einer Kühlung entgegenwirken.
Ausrichtung
Die Ausrichtung der Photovoltaikmodule nach Süden erzeugt den höchsten solaren Ertrag, da hier die Sonneneinstrahlung am stärksten auf die Solarzellen trifft. Abweichungen nach Südost oder Südwest verringern den Ertrag nur minimal. Und auch Photovoltaik zur Nordseite liefert bei entsprechender Dachneigung akzeptable PV-Erträge.
Alterung
Mit der Zeit verlieren die Solarzellen an Leistung. Dieser Verlust wird auch Degradation genannt. Über einen Zeitraum von 20 bis 25 Jahren beträgt die Degradation kristalliner Solarzellen etwa 10 bis maximal 15 %.
Verschattungen
Wird ein Teil der Solarzellen verschattet, reduziert das den Ertrag des gesamten Solarmoduls. Bereits ein kleiner verschatteter Bereich kann den Stromertrag um 10 % pro Modul reduzieren.
Photovoltaik funktioniert grundsätzlich auch im Schatten. Insbesondere, wenn die Dachfläche nur gelegentlich verschattet wird, ist es kein Grund zur Sorge. Moderne Solarmodule verfügen über sogenannte Bypass-Dioden, die den Strom innerhalb des Panels umleiten können. Dadurch entstehen weniger Leistungsverluste. Wenn ein dauerhafter Schatten nicht zu verhindern ist, können zudem PV-Leistungsoptimierer Abhilfe schaffen. Mit ihnen ist Steigerung des Stromertrags um bis zu 25% möglich.
Luftqualität
Bei diffusem Licht oder gar nebligen Lichtverhältnissen wird die Sonnenstrahlung mehr gestreut. Es trifft dadurch ein geringerer Anteil der direkten Sonnenstrahlung auf die Solarzellen. Der Ertrag wird dementsprechend niedriger.
Lichtspektrum
Das Sonnenlicht setzt sich aus verschiedenen Lichtspektren zusammen. Solarzellen sind in der Lage, lediglich einen kleinen Teil des Lichtspektrums vom Sonnenlicht umzuwandeln. Deshalb fällt der Wirkungsgrad bei Photovoltaik in der Regel nie höher als 24 % aus.
Ist der Solarzellen-Wirkungsgrad entscheidend für die Leistung der PV-Anlage?
Nein, der Wirkungsgrad ist nicht entscheidend für die Leistung der PV-Anlage. Er ist einer von mehreren Faktoren, die diese bestimmen. Verfügt Ihr Haus über eine große Dachfläche, könnten Sie auch eine hohe Leistung mit polykristallinen Solarmodulen erreichen - die vergleichsweise einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen.
Standard-Module haben eine Leistung zwischen 320 und 360 Watt Peak (Wp). Hochleistungsmodule liegen zwischen 400 und 500 Wp. Diese Werte werden durch ein Zusammenspiel von der Art des Materials, der verbauten Technologie, der Solarmodul-Größe und auch dem Wirkungsgrad erreicht.
Beispiel:
Ist Ihre Dachfläche groß genug, um zehn 350 Wp Module zu verbauen, hat die Anlage theoretisch eine Leistung von 3,5 kWp.
Können Sie 15 Module auf dem Dach anbringen, hat Ihre Anlage rund 5,2 kWp. Selbst, wenn Sie ein 320 Wp Modul wählen, haben Sie immer noch eine leistungsstärkere Photovoltaik mit 4,8 kWp. Die Dachgröße ist also entscheidend für die mögliche Leistung Ihrer PV.
In der Realität spielen Ausrichtung und Neigung der Module, der Standort, der Grad der Degradation und die Verluste durch Wechselrichter und Verkabelung eine entscheidende Rolle. Das heißt, die Leistung einer PV-Anlage hängt von vielen Faktoren und nicht nur von einem ab.
Wirkungsgrad von Photovoltaik im Winter
Im Winter ist die Sonneneinstrahlung wesentlich geringer als in den anderen Jahreszeiten. Dementsprechend ist auch die Leistung einer PV-Anlage reduziert. In den Sommermonaten kann ein Photovoltaik-Ertrag von 100 bis 150 kWh pro kWp erzielt werden. Im Winter sind es dagegen nur knapp 15 bis 25 kWh/kWp. Im Gesamtjahr kommt man deshalb im Schnitt auf knapp 1.000 kWh/kWp.
Wirkungsgrad der Solarzellen bei diffusem Licht
Sonnenlicht setzt sich aus dem direkten Licht und dem diffusen Licht, welches von der Atmosphäre gestreut wird, zusammen. Die diffuse Strahlung macht in Deutschland fast die Hälfte des Sonnenlichts aus. Ist es bewölkt, ist der Anteil an diffusem Licht noch höher. Die Leistung der PV-Anlage wird dadurch je nach Grad der Bewölkung um 60-80 % reduziert.
Einige Solarmodule können besser mit diffusen Lichtverhältnissen umgehen als andere. Dünnschichtzellen haben im Allgemeinen ein effektiveres Schwachlichtverhalten als kristalline Zellen.
Wirkungsgrad von Solarzellen im Schatten
Eine Photovoltaikanlage funktioniert auch im Schatten. Der Ertrag ist jedoch wesentlich geringer. Wird nun ein Teil des Solarmoduls oder sogar das ganze Modul verschattet, reduziert das die Leistung aller Module in der Reihe. Um dies zu vermeiden, haben moderne PV-Module sogenannte Bypass-Dioden.
Die Bypass-Dioden unterteilen das Solarmodul in zwei oder drei Teile. Wird ein Teil des Solarmoduls verschattet, schalten die Bypass-Dioden diesen ab. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Rest des Moduls und auch des Strings noch den vollen Stromertrag erzeugen.
Bypass-Dioden bei der Arbeit
Rekord: Neue Solarzellen mit 47,6 % Wirkungsgrad
Im Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme wird seit zwei Jahren an dem Projekt „50 Prozent“ geforscht. Das Ziel sind Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 50 %. Die neueste Solarzelle aus der Forschung hat einen Wirkungsgrad von 47,6 %. Es handelt sich um eine komplexe Tandemsolarzelle, mit verbesserten Kontakten und einer vierlagigen Antireflexionsschicht. So kann die Solarzelle ein größeres Spektrum des Sonnenlichts auffangen.
Fazit
Der Wirkungsgrad von Solarzellen spiegelt wider, wie gut die Zellen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln können. Auf die Gesamtleistung der Photovoltaikanlage hat das nur bedingten Einfluss. Diese wird hauptsächlich von ihrer Größe bestimmt. Faktoren wie der Standort, die Modulausrichtung und das Wetter spielen ebenfalls eine Rolle.
Leben Sie in einer etwas wolkigen Region, lohnen sich eventuell Module mit einem guten Schwachlichtverhalten. In jedem Fall lohnt es sich, Angebote zu vergleichen, bevor Sie sich für eine Solaranlage entscheiden. Wenn Sie das untere Formular ausfüllen, verbinden wir Sie mit bis zu fünf Solarteuren aus Ihrer Region - kostenlos und unverbindlich. Sie wählen das beste Angebot aus und sparen dabei bis zu 30 Prozent.