Wirkungsgrad einer Solarzelle
Verschiedene Arten von Solarzellen unterscheiden sich anhand ihres Wirkungsgrads voneinander. Er gibt an, welchen Anteil der einfallenden Sonnenenergie die Solarzellen in Strom umwandeln. Wie dieser Wert ermittelt wird, welche Module welchen Wirkungsgrad haben und wo die Forschung derzeit steht, erfahrt ihr im folgenden Ratgeber.
Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle bezeichnet den Anteil einfallender Sonnenenergie, der in Strom umgewandelt wird. Er wird auch Modulwirkungsgrad genannt und in Prozent angegeben. Monokristalline Solarzellen – also jene, die auf Privathäusern am häufigsten eingesetzt werden – haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Das heißt: Die Solarzellen wandeln 20 Prozent der Sonneneinstrahlung in Strom um.
Wie wird der Wirkungsgrad ermittelt?
Welchen Wirkungsgrad eine Solarzelle hat, ermitteln Forschende im Labor. Da dort perfekte Bedingungen herrschen, fällt der Wirkungsgrad oft höher aus als unter realen Bedingungen auf einem Hausdach. Der Test im Labor verläuft wie folgt:
Aufbau
Im Labor werden Solarzellen unter weltweit einheitlichen Standardtestbedingungen (englisch: Standard Test Conditions, abgekürzt: STC) mit künstlicher Sonne bestrahlt. Die STC gelten als erfüllt, wenn die Einstrahlung bei 1000 Watt pro Quadratmeter, die Temperatur der Zellen bei 25 Grad Celsius und die Spektralverteilung des Lichts bei einer astronomischen Luftmasse von 1,5 liegt.
Messung
Die Lichtenergie setzt Elektronen frei und es entsteht ein Stromfluss, wenn Minus- und Pluspol der Solarzelle verbunden werden. Je nach Verbraucheranschluss wird die Spannung in der Solarzelle nachgeregelt, bis der Maximum Power Point (MPP) erreicht ist.
Berechnung
Am MPP werden Strom und Spannung gemessen, miteinander multipliziert – und der errechnete Wert wird durch die Einstrahlungsleistung geteilt. Daraus ergibt sich der Wirkungsgrad der Solarzelle.
Welche Solarzellen haben welchen Wirkungsgrad?
Der Wirkungsgrad variiert bei unterschiedlichen Arten von Solarzellen. Monokristalline Solarzellen werden bei Privatanlagen am häufigsten verbaut. Polykristalline Solarzellen können günstiger hergestellt werden, arbeiten aber nicht so effizient. Dünnschicht-Solarmodule sind leichter und günstiger als Dickschicht-Solarmodule, haben jedoch auch einen geringeren Wirkungsgrad. Die folgende Tabelle¹ zeigt, wie sich die einzelnen Solarzellen im Wirkungsgrad unterscheiden:
Art der Solarzelle | Wirkungsgrad |
---|---|
monokristalline Solarzelle | 16–24 % |
polykristalline Solarzelle | 14–20 % |
amorphe Dünnschicht-Solarzelle | 10–14 % |
organische Dünnschicht-Solarzelle | ca. 10 % |
Tandem- bzw. Hybridsolarzelle | über 20 % |
CIGS-Solarzelle (CIGS = Kupfer, Indium, Gallium, Selen) | ca. 15 % |
Welchen Wirkungsgrad haben die Solarzellen von LichtBlick?
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Holt euch euer persönliches Angebot von LichtBlickWieso ist der Wirkungsgrad so gering?
Vielleicht fragt ihr euch, wieso der Wirkungsgrad bei Solarzellen so gering ist. Das liegt daran, dass Lichtenergie nie vollständig in elektrische Leistung, sondern anteilig auch in Wärme umgewandelt wird. Theoretisch ist es zwar möglich, einen Wirkungsgrad von 33 Prozent zu erreichen, in der Praxis funktioniert das allerdings selten.
In der neueren Forschung an Solarmodulen wurden jedoch auch hohe Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent erreicht. Das funktioniert bei vielschichtig aufgebauten Solarpanels, bei denen jede Schicht einen anderen Bereich des Lichtspektrums verarbeitet. Verwendet eine Modulschicht einen Teil des Lichts nicht, fällt dieses auf die darunterliegende Schicht und wird dort umgewandelt. Mit diesem Schichtmodell lässt sich die einfallende Lichtenergie besser nutzen – das Ergebnis ist ein höherer Wirkungsgrad.
Wie unterscheiden sich die Wirkungsgrade von Solaranlage und Modul?
Grundsätzlich hat ein einzelnes Solarpanel immer einen höheren Wirkungsgrad als die gesamte Photovoltaikanlage. Das liegt daran, dass beim Wirkungsgrad der PV-Anlage stets auch weitere Einflüsse berücksichtigt werden, während sich der Wirkungsgrad der Solarmodule immer nur auf das einzelne Modul bezieht. Leistungsverluste entstehen bei der PV-Anlage beispielsweise durch Verschmutzung, Verkabelung oder andere Komponenten der Anlage – etwa den Wechselrichter.
Verluste, die durch die Kabel der Anlage entstehen, sind auf den elektrischen Widerstand zurückzuführen, der von der Kabellänge, dem Material und dem Querschnitt abhängig ist. Je höher der Widerstand, desto mehr Energie geht als Wärme verloren.
An Photovoltaikanlagen angebrachte Wechselrichter mit Trafo haben einen leicht niedrigeren Wirkungsgrad als Modelle ohne Trafo. Ein Trafo – oder Transformator – verringert oder erhöht die Spannung, wobei Leistungsverluste entstehen.
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Arbeitet eine Solarzelle also direkt besser, wenn ihr Wirkungsgrad höher ist? So einfach ist das nicht, denn der reale Wirkungsgrad einer Solarzelle – also abseits der perfekten Laborbedingungen – liegt meist unter dem theoretischen, zum Beispiel aufgrund schlechter Lichteinstrahlung. Dieses sogenannte Schwachlicht entsteht etwa durch Verschattungen, Wolken oder einen ungünstigen Einstrahlungswinkel. Auch Hitze kann den Wirkungsgrad beeinträchtigen, denn nicht alle Solarmodule kommen gleich gut mit hohen Temperaturen zurecht.
Bewährte Technologien können zwar einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen als neuere, halten aber gegebenenfalls länger als Neuentwicklungen. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet also nicht automatisch, dass die PV-Anlage effizienter arbeitet – vor allem nicht auf längere Sicht.
Den Wirkungsgrad erhöhen: Stand der Forschung
Die Erhöhung der Wirkungsgrade ist ein Schwerpunkt der Photovoltaikforschung. Dabei stehen die Erforschung anderer Halbleitermaterialien sowie Änderungen am Aufbau im Fokus. Erfolge ließen sich in der Vergangenheit beispielsweise mit folgenden Solarzellen erzielen:
PERC-Zellen: PERC-Solarzellen (kurz für: Passivated Emitter Rear Cell) besitzen eine reflektierende Schicht auf der Zellenrückseite, die langwelliges Licht zurückwirft und so weitere Teile des Lichtspektrums verwertet. Dadurch kann der Wirkungsgrad um rund ein Prozent erhöht werden.
Bifaciale Solarzellen: Solarzellen mit einer photoaktiven Vorder- und Rückseite verarbeiten einfallendes Sonnenlicht auf beiden Seiten. Für Hausdächer eignen sich bifaciale Solarzellen nicht, aber in Solarparks können sie den Wirkungsgrad um 5 bis 30 Prozent steigern.
Halbzellenmodule: Halbzellenmodule sind mit einem Laser halbierte Solarmodule, sogenannte „Half Cut Cells“. Im Gegensatz zu vollständigen Solarmodulen weisen sie durch das Halbieren von Widerstand und Stromstärke auch weniger Verlustleistung auf.
Kristalline Zellen/Tandemzellen: Tandemzellen verbinden Solarzellen aus verschiedenen Materialien miteinander. Das Ziel: so viele Teile des Lichtspektrums zu verwerten wie möglich. Durch diese optimale Nutzung des Spektrums konnte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bereits Wirkungsgrade von 47,6 Prozent messen². Grundsätzlich sind laut Fraunhofer ISE Wirkungsgrade von mehr als 35 Prozent³ möglich.
Gallium-Arsenit-Dünnschichtzelle: Durch die Bestrahlung mit einem Laser und einen reflektierenden Spiegel auf der Rückseite der Zelle erreichte das Fraunhofer ISE bei Gallium-Arsenit-Dünnschichtzellen bereits einen Wirkungsgrad von fast 69 Prozent⁴.
Auch organische Zellen bieten Potenzial. Bisher konnten mit ihnen im Labor aber nur Wirkungsgrade von bis zu 15 Prozent erreicht werden.
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