Inhalt des Artikels
- Inhalt
- Was bedeutet der Wirkungsgrad einer Solarzellen?
- Vergleich: Welche Solarzelle hat den höchsten Wirkungsgrad?
- Warum können Solarzellen nicht mehr vom Sonnenlicht umwandeln?
- Ihr persönliches Solarpotenzial: Wie viel können Sie sparen?
- Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?
- Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarzellen
- Der Wirkungsgrad im zeitlichen Verlauf
- Wirkungsgrad ist nicht alles
- Fazit
- Häufig gestellte Fragen
Inhalt
Solarzellen erzeugen aus Sonnenlicht Strom: Dies ist bekannt unter dem Begriff „Photovoltaik“. Bei Suche nach passenden Solarmodulen stellt sich dabei die Frage: Wie effektiv wandeln Solarzellen Sonnenlicht in Strom um (Wirkungsgrad) und welche Solarzellen haben den höchsten Wirkungsgrad? Ein hoher Wirkungsgrad verspricht bessere Erträge, da bei gleicher Fläche mehr Strom aus der eingehenden Sonnenstrahlung erzeugt werden kann.
Das Wichtigste in Kürze
- Durchschnittlicher Wirkungsgrad: im privaten Bereich sind Solarzellen mit 15-22% typisch
- Maximale Effizienz: Technisch möglich sind aktuell bis zu 40% Wirkungsgrad – jedoch eher im industriellen Bereich
- Achtung: Der Wirkungsgrad ist sehr wichtig – jedoch spielen auch andere Faktoren eine Rolle für die Effizienz der Anlage
- Monokristalline Zellen: Sie bringen aktuell den höchsten Wirkungsgrad bei üblichen Solarzellen
Was bedeutet der Wirkungsgrad einer Solarzellen?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen gibt an, wie effizient eine Solarzelle die einfallende Sonnenenergie in nutzbaren Strom umwandelt. Wirkungsgrade werden dabei stets als Prozentsatz ausgedrückt – sie haben direkten Einfluss auf die Leistung der Solarzelle.
Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass eine Solarzelle mehr Strom aus derselben Menge Sonnenlicht erzeugen kann, was die Effizienz und Rentabilität einer Solaranlage erhöht.
Demnach ist der Wirkungsgrad ein wichtiger Faktor bei der Auswahl von Solarzellen, insbesondere bei begrenztem Platz oder bei dem Ziel, die maximale Energieausbeute zu erzielen.
Vergleich: Welche Solarzelle hat den höchsten Wirkungsgrad?
Solarzellentyp | Wirkungsgrad | Vorteile | Nachteile |
Monokristalline Solarzellen | 15-22% | Hoher Wirkungsgrad, langlebig, platzsparend | Höhere Produktionskosten, teurer |
Polykristalline Solarzellen | 13-18% | Geringerer Wirkungsgrad, größere Fläche erforderlich | Geringerer Wirkungsgrad, größere Fläche erforderlich |
Dünnschicht-Solarzellen | 7-13% | Flexibel, leicht, kostengünstig, geringer Materialverbrauch | Geringerer Wirkungsgrad, kürzere Lebensdauer, größere Fläche
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Organische Solarzellen (OPV) | 2-10% | Flexibel, leicht, kostengünstig, potenziell transparent, ökologisch | Geringerer Wirkungsgrad, kürzere Lebensdauer, empfindlich
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Perowskit-Solarzellen | Über 20% (Labor) | Hoher Wirkungsgrad, kostengünstig, flexibel, potenziell transparent | Begrenzte Langzeitstabilität, toxische Materialien, Skalierung schwer |
Multijunction-Solarzellen | Über 40% (konzentriert) | Sehr hoher Wirkungsgrad, effiziente Spektrumnutzung, ideal für spezielle Anwendungen | Sehr teuer, komplexe Produktion, spezialisierte Märkte
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Warum können Solarzellen nicht mehr vom Sonnenlicht umwandeln?
Der Wirkungsgrad von Solarzellen mag auf den ersten Blick enttäuschend wirken. Viele Solarmodule können nur 10 bis 24% der Sonnenenergie nutzen. Die begrenzte Effizienz einer Photovoltaikanlage liegt in verschiedenen Faktoren, darunter technische wie praktische Gründe.
Ein zentraler Faktor ist das Sonnenspektrum. Kristalline Solarzellen können nur einen gewissen Teil der eingehenden Sonnenstrahlen für die Umwandlung nutzen: In diesem Fall das sichtbare Licht, welches nur etwa 30% der gesamten elektromagnetischen Sonnenstrahlung ausmacht.
Andere Spektralbereiche wie Infrarot- oder UV-Licht bleiben ungenutzt. Kristalline Zellen können somit also theoretisch nicht mehr als 30% Wirkungsgrad erreichen, basierend auf den aktuellen Technologien.
Forschungen arbeiten an neuen Technologien, die neben dem sichtbaren Licht auch weitere Spektren der Sonnenstrahlung zur Umwandlung nutzen können. Diese könnten also rein theoretisch einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Jedoch sind aktuelle Modelle noch nicht marktreif, da neben dem Wirkungsgrad auch andere Faktoren wie das Verhalten bei schwachem Licht eine entscheidende Rolle spielen.
Ihr persönliches Solarpotenzial: Wie viel können Sie sparen?
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Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?
Die Berechnung des Wirkungsgrades der Solarzelle wird immer unter sogenannten „Standard Test Conditions“ durchgeführt. Dabei gelten folgende Bedingungen:
- Zelltemperatur = 25°C
- Strahlungsstärke = 1000 W/m²
- AirMass = 1,5
Um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu bestimmen, wird das Modul solange mit Licht bestrahlt, bis die maximale Leistung (Pmpp) erreicht ist. Mit folgender Formel kann der Wirkungsgrad bestimmt werden:
η = P (Solarstrom) / P (Sonnenenergie)
η (Eta) steht dabei für den Wirkungsgrad. Berechnet wird er durch das Verhältnis der erzeugten Energie zur zugeführten Energien. Je höher die erzeugte Energie bei gleichbleibender zugeführter Energie, desto höher ist der Wirkungsgrad der Zelle und somit auch der mögliche Ertrag.
Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarzellen
Die Effizienz wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Solaranlage geringer ausfallen kann. Folgende Einflussfaktoren spielen eine Rolle:
Einflussfaktor | Beschreibung | Verlust | Maßnahmen zur Minimierung |
Temperatur | Höhere Temperaturen führen zu einem Anstieg der Elektronenbewegung im Halbleitermaterial. | 0,3 % bis 0,5 % pro Grad Celsius über 25° | Gute Belüftung der Module zur Kühlung |
Verschattung | Teilweise oder vollständige Abschattung durch Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse. | Bis zu 100 % für betroffene Module | Optimale Platzierung der Solaranlage |
Schmutz und Verunreinigungen | Staub, Schmutz, Blätter und andere Ablagerungen auf der Oberfläche der Module. | 2 % bis 5 %, in extremen Fällen bis zu 20 % | Regelmäßige Reinigung der Module |
Degradation der Module | Langsame Abnahme der Leistungsfähigkeit der Module über die Zeit. | 0,5 % bis 1 % pro Jahr | Verwendung von Hochleistungskomponenten |
Mismatch-Verluste | Unterschiede in der Leistung der einzelnen Module innerhalb eines Strangs. | Bis zu 2 % | Einsatz von Leistungsoptimierern oder Mikrowechselrichtern |
Wechselrichterverluste | Umwandlungsverluste bei der Umwandlung von Gleichstrom (DC) zu Wechselstrom (AC). | 2 % bis 5 % | Verwendung effizienter Wechselrichter |
Verkabelungsverluste | Widerstandsverluste in den Kabeln zwischen den Modulen und dem Wechselrichter. | 1 % bis 3 % | Hochwertige und gut dimensionierte Kabel verwenden |
Alterung und Abnutzung der Komponenten | Alterungseffekte und Abnutzung von Komponenten wie Wechselrichter, Verkabelung und Verbindungen. | Gute Belüftung der Module zur Kühlung | Regelmäßige Wartung und Inspektion der Komponenten |
Der Wirkungsgrad im zeitlichen Verlauf
Solarzellen verlieren im Laufe der Jahre allmählich an Effizienz. Die Verringerung des Wirkungsgrads wird als Degradation bezeichnet und hängt von der Qualität der Zelle, den Umgebungsbedingungen und der Wartung ab.
Monokristalline Solarzellen gehören zu den langlebigsten und effizientesten Modulen auf dem Markt. Ihre jährliche Degradationsrate liegt typischerweise zwischen 0,3% und 0,7%, je nach Hersteller und Technologie.
Nach 30 Jahren hat eine monokristalline Zelle mit einem Wirkungsgrad von 20% zur Installation und einer Degrationsrate von 0,5% noch immer 85% ihres Ursprungswertes, was einem Wirkungsgrad von circa 17% entspricht.
Wirkungsgrad ist nicht alles
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist ein wichtiger, aber keineswegs der einzige Faktor, der die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage bestimmt. Er beschreibt lediglich, wie viel der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. In der Praxis spielen jedoch viele weitere Aspekte eine Rolle, die den Gesamtertrag einer Solaranlage beeinflussen.
Ein hoher Wirkungsgrad ist besonders bei begrenztem Platz von Vorteil, da er die maximale Energieausbeute auf kleiner Fläche ermöglicht. Doch selbst Solarzellen mit geringerem Wirkungsgrad können in der richtigen Konfiguration und Umgebung hohe Gesamterträge erzielen. Daher ist es wichtig, den Wirkungsgrad immer im Kontext weiterer Faktoren zu betrachten. Neben einem möglichst hohen Wirkungsgrad der Photovoltaikanlagen sollte auch auf folgende Einflussfaktoren geachtet werden:
Ausrichtung und Neigung der Module
Verschattung
Temperaturverhalten (wie verhält sich die Anlage bei besonders hoher oder niedriger Temperatur?)
Qualität der Komponenten (Wechselrichter, Verkabelung etc.)
Wartung und Reinigung (Verschmutzung der Module)
Standortbedingungen
Fazit
Solarzellen sind ein zentraler Baustein der Energiewende, und ihr Wirkungsgrad ist ein wichtiger Indikator für ihre Effizienz. Dennoch sollte man den Fokus nicht nur auf diesen Wert legen, da viele andere Faktoren die tatsächliche Leistungsfähigkeit beeinflussen. Mit der richtigen Planung und Wartung kann eine Solaranlage über Jahrzehnte hinweg zuverlässige und saubere Energie liefern. Damit bleibt sie nicht nur eine nachhaltige, sondern auch eine wirtschaftlich lohnende Investition in die Zukunft.
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist der maximale Wirkungsgrad von Solarzellen?
Der theoretisch maximale Wirkungsgrad von Einkristall-Solarzellen liegt bei etwa 33 %, bekannt als Shockley-Queisser-Grenze. Multischicht-Module und experimentelle Technologien können jedoch Wirkungsgrade von über 45 % unter Laborbedingungen erreichen. Der Einsatz in der Praxis funktioniert aktuell noch nicht.
Wie viel Kilowatt erzeugt eine Solarzelle?
Eine einzelne Solarzelle erzeugt nur wenige Watt Leistung. Ein typisches Solarmodul mit etwa 60 Zellen liefert unter optimalen Bedingungen eine Spitzenleistung von 300 bis 400 Watt. Mehrere Module zusammen können in einer Anlage mehrere Kilowatt erzeugen.
Wie viel Leistung verliert eine PV-Anlage?
PV-Anlagen verlieren jährlich etwa 0,3% bis 0,7% ihrer Leistung, abhängig von der Qualität der Module. Nach 25 bis 30 Jahren beträgt die Leistung typischerweise noch 80–90% der ursprünglichen Kapazität.
Wie lange halten PV-Module wirklich?
Die meisten PV-Module haben eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren oder länger. Hochwertige Module können jedoch auch nach 30 Jahren noch über 90% ihrer ursprünglichen Leistung liefern.
Ist ein Wirkungsgrad von 100% möglich?
Nein, ein Wirkungsgrad von 100 % ist physikalisch unmöglich. Verluste durch nicht nutzbare Spektralbereiche des Sonnenlichts, Wärmeentwicklung und andere physikalische Einschränkungen machen dies unerreichbar.
