Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen: Effizienz und Einflussfaktoren verstehen
Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist ein entscheidender Faktor für ihre Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Er beschreibt, wie effizient Sonnenlicht in nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt wird. Dieser Artikel erklärt umfassend, was der Wirkungsgrad bei PV-Anlagen bedeutet, welche Werte typisch sind und welche Faktoren die Effizienz beeinflussen.
Was ist der Wirkungsgrad bei Photovoltaikanlagen?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dabei ist zu unterscheiden zwischen:
- Wirkungsgrad der Solarzelle: Die Effizienz der einzelnen Zelle unter Laborbedingungen
- Wirkungsgrad des Solarmoduls: Die Effizienz mehrerer zusammengeschalteter Zellen in einem Modul
- Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage: Hier werden zusätzlich alle Verluste berücksichtigt, die bei der technischen Nutzung des erzeugten Solarstroms anfallen
Der Wirkungsgrad einer kompletten Photovoltaikanlage liegt grundsätzlich immer unter dem der einzelnen Module, da hier weitere Faktoren wie Leitungsverluste, Verschmutzung, Temperatureffekte oder die Effizienz des Wechselrichters eine Rolle spielen.
Typische Wirkungsgrade verschiedener Solarzelltypen
Der Wirkungsgrad von PV-Modulen variiert je nach verwendeter Technologie erheblich. Folgende Übersicht zeigt die typischen Werte für verschiedene Solarzelltypen:
Monokristalline Solarzellen (16-24%)
Die monokristallinen Solarzellen erreichen den höchsten Wirkungsgrad unter den marktüblichen Modulen und dominieren mit einem Marktanteil von über 95%. Sie bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall, wodurch Verluste an Kristallgrenzen vermieden werden. Ihre höhere Effizienz macht sie trotz höherer Anschaffungskosten oft zur wirtschaftlicheren Wahl, besonders bei begrenzter Dachfläche.
Polykristalline Solarzellen (14-20%)
Polykristalline Zellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und sind etwas kostengünstiger in der Herstellung als monokristalline Zellen. Ihr Nachteil: An den Grenzen zwischen den Kristallen entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad reduzieren. Diese Module sind heute auf dem Markt kaum noch zu finden, da monokristalline Module bei gesunkenen Preisen deutlich effizienter sind.
CIGS- und CdTe-Dünnschichtzellen (12-16%)
Dünnschichtzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe) bieten einen mittleren Wirkungsgrad. Ihr Vorteil liegt in der flexiblen Einsetzbarkeit und dem guten Schwachlichtverhalten. Sie können auch bei diffusem Licht und höheren Temperaturen vergleichsweise effizient arbeiten.
Amorphe Solarzellen (10-14%)
Amorphe Dünnschichtzellen aus Silizium haben einen geringeren Wirkungsgrad, sind aber sehr kostengünstig herzustellen. Sie kommen häufig bei Taschenrechnern, Uhren oder anderen Kleingeräten zum Einsatz. Für Dachanlagen spielen sie wegen des geringen Wirkungsgrads und der damit verbundenen höheren Flächenanforderung eine untergeordnete Rolle.
Tandem- und Mehrfachzellen (bis über 40%)
Die Forschung entwickelt ständig neue, effizientere Solarzellen. Bei Mehrfachzellen (Multi-Junction) werden verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert, die unterschiedliche Teile des Lichtspektrums optimal nutzen können. Im Mai 2022 stellte das Fraunhofer ISE die bisher effizienteste Solarzelle der Welt mit einem Wirkungsgrad von 47,6% vor. Diese Technologien sind jedoch noch sehr teuer und werden hauptsächlich in der Raumfahrt oder bei konzentrierenden Photovoltaiksystemen eingesetzt.
Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?
Der Wirkungsgrad wird berechnet, indem die erzeugte elektrische Leistung ins Verhältnis zur eingestrahlten Sonnenenergie gesetzt wird:
Wirkungsgrad (η) = Erzeugte elektrische Leistung / Eingestrahlte Sonnenenergie
Ein Beispiel: An einem wolkenfreien Tag liefert die Sonne in Deutschland etwa 1.000 Watt solarer Energie pro Quadratmeter. Bei einer Modulfläche von 32 m² würde dies theoretisch 32 kW bedeuten. Werden unter diesen Bedingungen tatsächlich 6 kW erzeugt, liegt der Wirkungsgrad der PV-Anlage bei 18,75%.
Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad
1. Solarzellen-Technologie
Die Wahl der Zelltechnologie hat den größten Einfluss auf den Wirkungsgrad. Dieser wird durch die physikalischen Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze definiert den theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad für Solarzellen mit einem einzigen p-n-Übergang auf etwa 33%.
Optimierungstipps:
- Bei begrenzter Dachfläche monokristalline Module wählen
- PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell) für zusätzliche Effizienzgewinne nutzen
- Auf Half-Cut-Technologie achten für reduzierte elektrische Verluste
2. Temperaturempfindlichkeit
Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad der meisten Solarzellen. Pro Grad Celsius über der Standardtesttemperatur von 25°C verlieren Siliziumzellen etwa 0,4-0,5% ihrer Leistung. An heißen Sommertagen können die Module leicht Temperaturen von 60-80°C erreichen, was zu erheblichen Effizienzverlusten führt.
Optimierungstipps:
- Ausreichenden Abstand zur Dachfläche für Hinterlüftung sicherstellen
- Module mit gutem Temperaturkoeffizienten wählen
- Bei extremen Standorten auf temperaturtolerantere Dünnschichtmodule setzen
3. Ausrichtung und Neigung
Die optimale Ausrichtung und Neigung der Module beeinflusst maßgeblich die Energieausbeute. In Deutschland ist eine Südausrichtung mit einem Neigungswinkel von 30-35° ideal. Abweichungen davon führen zu geringeren Erträgen.
Optimierungstipps:
- Bei Ost-West-Ausrichtung bifaziale Module in Betracht ziehen
- Bei Flachdächern Aufständerungssysteme mit optimaler Neigung verwenden
- Verschattungen durch umliegende Gebäude oder Bäume vermeiden
4. Wechselrichter-Effizienz
Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in netztauglichen Wechselstrom um. Die Effizienz dieser Umwandlung ist entscheidend für den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Moderne Wechselrichter erreichen Wirkungsgrade von 96-98%.
Optimierungstipps:
- Wechselrichter mit Wirkungsgrad >97% wählen
- Auf optimale Dimensionierung des Wechselrichters achten
- Wechselrichter möglichst nah am Einspeisepunkt installieren
Wo entstehen Verluste bei Photovoltaikanlagen?
Wo entstehen Verluste bei Photovoltaikanlagen?
Vom theoretischen Maximum zum realen Ertrag: Effizienzkette einer PV-Anlage
| Verlustfaktor | Beschreibung | Typische Verluste |
|---|---|---|
| Zelltechnologie | Physikalische Grenzen der Solarzellen (Shockley-Queisser-Grenze) | 75-85% |
| Temperatureffekte | Leistungsverlust durch Erwärmung der Module über 25°C | 5-15% |
| Reflexion & Spektrum | Verluste durch Reflexion an der Der Weg von der Sonneneinstrahlung bis zum nutzbaren Strom ist mit verschiedenen Verlusten verbunden. Die wichtigsten Verlustfaktoren sind:
Der tatsächliche Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage liegt in der Praxis bei etwa 15-19% für moderne Anlagen mit monokristallinen Modulen. Optimierung des Wirkungsgrads: Performance RatioDie Performance Ratio (PR) ist ein Qualitätsmaß für die Effizienz einer Photovoltaikanlage. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlich erzielten Ertrag und dem theoretisch möglichen Ertrag. Die PR wird als Quotient aus Ist-Ertrag und Soll-Ertrag definiert und entspricht somit einem aktuellen Wirkungsgrad. Eine gute Photovoltaikanlage erreicht eine Performance Ratio von 80-90%. Das bedeutet, dass 80-90% der theoretisch möglichen Energie tatsächlich als nutzbarer Strom zur Verfügung stehen. Die restlichen 10-20% gehen durch die verschiedenen Verlustfaktoren verloren. Entwicklungstrends bei Solarzellen-WirkungsgradenDie Forschung im Bereich Photovoltaik konzentriert sich stark auf die Verbesserung des Wirkungsgrads. Folgende Technologien zeigen vielversprechende Ergebnisse: PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell)Bei PERC-Zellen wird eine zusätzliche Schicht auf der Rückseite der Zelle angebracht, die langwelliges Licht zurück in die Zelle reflektiert. Dadurch können PERC-Zellen auch Teile des Lichtspektrums verwerten, die durch Standard-Siliziumzellen ungenutzt bleiben. Der Wirkungsgrad lässt sich durch diese Technologie um etwa 1-2 Prozentpunkte erhöhen. Bifaziale SolarzellenBifaziale Solarzellen können Licht von beiden Seiten aufnehmen. Auf Dächern ist der zusätzliche Ertrag begrenzt, bei Freiflächenanlagen können jedoch Mehrerträge von 5-30% erzielt werden, da auch das vom Boden reflektierte Licht genutzt wird. Tandem- und MehrfachzellenDurch die Kombination verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken können verschiedene Teile des Lichtspektrums optimal genutzt werden. Diese Zellen erreichen im Labor bereits Wirkungsgrade von über 47% und haben das Potenzial, die "natürlichen Grenzen" des Wirkungsgrads zu überwinden. Organische PhotovoltaikOrganische Solarzellen bestehen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen und lassen sich in nahezu unbegrenzten Varianten herstellen. Sie sind flexibel, leicht und kostengünstig in der Produktion. Während kommerzielle organische Zellen derzeit Wirkungsgrade von etwa 10% erreichen, wurden im Labor bereits 15% erzielt. Fazit: Ist ein hoher Wirkungsgrad immer besser?Ein hoher Wirkungsgrad ist zwar ein wichtiges Qualitätsmerkmal für Photovoltaikanlagen, sollte aber nicht das einzige Auswahlkriterium sein. Bei der Planung einer PV-Anlage spielen auch andere Faktoren eine wichtige Rolle:
Für die meisten Hausbesitzer in Deutschland stellen monokristalline Solarmodule mit PERC-Technologie derzeit den besten Kompromiss aus Wirkungsgrad, Kosten und Langzeitzuverlässigkeit dar. Mit steigenden CO₂-Preisen und sinkenden Modulkosten wird die Photovoltaik unabhängig vom Wirkungsgrad immer wirtschaftlicher. Häufig gestellte FragenWie hoch ist der Wirkungsgrad einer typischen Photovoltaikanlage?Eine typische Photovoltaikanlage mit modernen monokristallinen Modulen erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 15-19%, abhängig von der Qualität der Komponenten und den Installationsbedingungen. Lohnt sich ein höherer Wirkungsgrad finanziell?Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet mehr Stromproduktion pro Quadratmeter Modulfläche. Bei begrenztem Platzangebot ist dies vorteilhaft. Die Mehrkosten für effizientere Module müssen jedoch durch den Mehrertrag gerechtfertigt sein. Eine individuelle Wirtschaftlichkeitsberechnung ist empfehlenswert. Wie kann ich den Wirkungsgrad meiner bestehenden Anlage verbessern?Bestehende Anlagen können durch regelmäßige Reinigung der Module, Vermeidung von Verschattung und gegebenenfalls Austausch veralteter Komponenten (insbesondere des Wechselrichters) in ihrer Effizienz verbessert werden. Warum können Solarzellen nicht 100% der Sonnenenergie nutzen?Aufgrund physikalischer Grenzen (Shockley-Queisser-Grenze) können Solarzellen mit einem einzelnen p-n-Übergang theoretisch maximal etwa 33% der Sonnenenergie in Strom umwandeln. Ein Teil der Strahlung hat zu wenig Energie, um Elektronen anzuregen, ein anderer Teil hat zu viel Energie, wodurch Wärme statt nutzbarer Elektrizität entsteht. Wird sich der Wirkungsgrad von Solarzellen in Zukunft noch deutlich verbessern?Die Forschung macht kontinuierlich Fortschritte. Tandem- und Mehrfachzellen haben bereits Wirkungsgrade von über 47% im Labor erreicht. Für den Massenmarkt werden in den nächsten Jahren schrittweise Verbesserungen erwartet, wobei monokristalline Standardmodule voraussichtlich Wirkungsgrade von 22-26% erreichen werden. Sichern Sie sich 5% extra Förderung mit Ihrem Sanierungsfahrplan Sichern Sie sich 5% extra Förderung mit Ihrem SanierungsfahrplanFinden Sie mit 42watt die optimale Wärmepumpe und Ihr ideales Energie-System.png) Weitere Artikel Einfach Energie sparen. |
