Wirkungsgrad Photovoltaik – Wie effizient sind Solarzellen?

Definition: Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen gibt an, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt und über den Wechselrichter zu Wechselstrom konvertiert wird.

Arten von Solarzellen: Monokristalline Solarzellen haben den höchsten Ertrag, gefolgt von polykristallinen und Dünnschichtzellen.

Stabiler Photovoltaik-Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad von PV-Anlagen sinkt über die Jahre leicht, kann jedoch durch regelmäßige Wartung und optimale Ausrichtung stabilisiert werden.

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Was bedeutet Wirkungsgrad bei Photovoltaik?

Der Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage ist ein entscheidender Parameter, der beschreibt, wie effizient die Anlage das Licht der Sonne in elektrische Energie umwandelt. Genauer gesagt gibt der Wirkungsgrad an, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie tatsächlich in nutzbaren Strom umgewandelt werden. Ein Wirkungsgrad von 20 % bedeutet beispielsweise, dass 20 % der auftreffenden Sonnenenergie in Elektrizität umgewandelt werden, während die restlichen 80 % als Wärme oder in andere Energieformen verloren gehen.

Der PV-Wirkungsgrad hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Qualität der verwendeten Materialien, die Technologie der Solarzellen, die Temperatur, die Ausrichtung der Module und die Verschattung. Auch wenn der Wirkungsgrad allein nicht das gesamte Leistungspotential einer Photovoltaikanlage abbildet, ist er ein wichtiger Vergleichsmaßstab. Hohe Wirkungsgrade sind besonders dort von Bedeutung, wo der zur Verfügung stehende Platz begrenzt ist und maximale Energieausbeute auf kleiner Fläche erzielt werden muss.

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Monokristalline Solarzelle

Monokristalline Solarzellen sind die effizienteste Modulart auf dem Markt. Sie bestehen aus hochreinem Silizium, das in einem aufwendigen Verfahren zu einem Einkristall geformt wird. Dieser homogene Kristallaufbau minimiert die Elektronenverluste innerhalb der Zelle, was zu einem PV-Wirkungsgrad führt, der typischerweise zwischen 20 % und 22 % liegt. Solche Zellen und ihre niedrigen Verluste sind besonders für Anwendungen geeignet, bei denen eine hohe Energieausbeute auf begrenzter Fläche erforderlich ist, wie etwa bei Wohngebäuden mit wenig Dachfläche.

Monokristalline Zellen sind aufgrund ihrer aufwendigen Herstellung und ihrem hochwertigen Material teurer als andere Solarzellenarten. Sie haben jedoch eine lange Lebensdauer und bieten in der Regel über viele Jahre hinweg stabile Leistungen, was sie zu einer lohnenden Investition macht. Aufgrund ihrer hohen Effizienz sind sie besonders in sonnenarmen Regionen oder bei suboptimalen Ausrichtungen des Daches von Vorteil.

Polykristalline Solarzelle

Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, die miteinander verschmolzen sind. Im Herstellungsprozess wird das Silizium in Blöcken gegossen, die nach dem Abkühlen in dünne Scheiben geschnitten werden. Die Struktur dieser Zellen ist daher nicht so gleichmäßig wie bei monokristallinen Zellen, was zu geringfügig höheren Elektronenverlusten und einem niedrigeren Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage führt, typischerweise zwischen 15 % und 18 %.

Polykristalline Solarzellen sind jedoch kostengünstiger in der Herstellung und haben einen geringeren Energieaufwand in der Produktion, was sie zu einer wirtschaftlich attraktiven Option macht. Sie sind oft die bevorzugte Wahl für größere Photovoltaikanlagen, bei denen die Fläche nicht die limitierende Größe ist und die Kosten pro Watt wichtiger sind als die Effizienz pro Quadratmeter. Diese Zellen sind weit verbreitet und bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Effizienz und Kosten, was sie für viele Projekte zur bevorzugten Wahl macht.

Amorphe Dünnschicht-Solarzelle

Amorphe Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich grundlegend von den kristallinen Solarzellen durch ihre Struktur und den Herstellungsprozess. Statt aus kristallinem Silizium besteht ein solches Modul aus einer dünnen Schicht Silizium, die auf ein Trägermaterial wie Glas, Metall oder Kunststoff aufgebracht wird. Diese Technik ermöglicht es, die Zellen flexibel und leicht zu gestalten, was sie besonders für Anwendungen auf unebenen oder flexiblen Oberflächen geeignet macht.

Der Wirkungsgrad amorpher Dünnschicht-Solarzellen ist jedoch deutlich niedriger als bei kristallinen Zellen und liegt typischerweise nur zwischen 6 % und 10 %. Daher werden sie oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen geringere Kosten und Flexibilität wichtiger sind als die maximale Energieausbeute. Sie sind weniger empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und Schatten, was sie in bestimmten Umgebungen trotz des niedrigeren Wirkungsgrads attraktiv macht.

Organische Dünnschicht-Solarzelle

Organische Dünnschicht-Solarzellen sind eine relativ neue Technologie, die auf organischen Materialien wie Polymeren basiert. Diese Zellen sind besonders leicht und können auf flexible Materialien gedruckt werden, was sie ideal für Anwendungen in tragbaren Geräten oder integrierte Gebäudekomponenten macht. Der Wirkungsgrad dieser Photovoltaik-Zellen ist derzeit noch niedriger als bei traditionellen Siliziumzellen, liegt aber in einem Bereich von etwa 10 % bis 12 %.

Ein großer Vorteil organischer Solarzellen ist ihre potenziell niedrige Herstellungskosten und die Möglichkeit, sie in großem Maßstab zu produzieren. Sie befinden sich jedoch noch in der Entwicklung, und es gibt Herausforderungen bezüglich ihrer Langzeitstabilität und Effizienzsteigerung. Dennoch bieten sie ein großes Zukunftspotenzial, insbesondere für Nischenanwendungen und in Märkten, in denen traditionelle Siliziumzellen weniger praktikabel sind.

Tandem- bzw. Hybridsolarzelle

Tandem- oder Hybridsolarzellen kombinieren mehrere Materialschichten mit unterschiedlichen Absorptionsspektren, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Diese Zellen nutzen sowohl monokristallines als auch andere Materialien, wie z. B. Perowskit, um Sonnenlicht in einem breiteren Spektrum effizient in Strom umzuwandeln. Tandemzellen können Wirkungsgrade von über 25 % erreichen, was sie zu einer der vielversprechendsten Technologien für die Zukunft macht.

Durch die Kombination von Materialien, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts effizienter nutzen, maximieren Tandem-Solarzellen den Stromertrag. Diese Technologie steht noch am Anfang der Massenproduktion, hat jedoch das Potenzial, die Effizienzgrenzen traditioneller Solarzellen deutlich zu überschreiten.

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Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad der PV-Module?

Bei Photovoltaik wird der Wirkungsgrad von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Einige dieser Faktoren sind technischer Natur, andere hängen von den Umgebungsbedingungen ab, unter denen die Module betrieben werden. Bei einer Photovoltaikanlage wird der Wirkungsgrad von den folgenden Faktoren beeinflusst:

1. Temperatur: Photovoltaikmodule sind temperaturempfindlich. Hohe Temperaturen führen in der Regel zu einer Verringerung des Wirkungsgrads. Daher wird oft eine gute Belüftung der Module empfohlen, um Überhitzung zu vermeiden und den Wirkungsgrad stabil zu halten.
2. Verschattung: Jede Art von Verschattung, sei es durch Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse, kann den Wirkungsgrad erheblich mindern. Selbst kleine Schatten können den Stromfluss in einem Modulblock unterbrechen und die Gesamtleistung des Systems verringern. Moderne Technologien wie Optimierer können jedoch helfen, die Auswirkungen von Verschattung zu minimieren.
3. Ausrichtung und Neigungswinkel: Die optimale Ausrichtung und Neigung der PV-Module sind für den Wirkungsgrad entscheidend. In Deutschland ist eine Ausrichtung nach Süden mit einem Neigungswinkel von etwa 30 bis 35 Grad ideal. Abweichungen davon können den Wirkungsgrad verringern, da die Module weniger Sonnenlicht direkt absorbieren.
4. Verschmutzung: Staub, Schmutz, Blätter und andere Ablagerungen auf den Modulen können die Lichtdurchlässigkeit verringern und damit den Wirkungsgrad senken. Regelmäßige Reinigung der Module ist daher wichtig, um sicherzustellen, dass sie ihre maximale Leistung erbringen können.‍
5. Degradation über die Zeit: Mit der Zeit nimmt der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen allmählich ab, ein Phänomen, das als Degradation bekannt ist. Dieser Verlust liegt typischerweise bei etwa 0,5 % bis 1 % pro Jahr, abhängig von der Qualität der Module. Hochwertige PV-Module mit hohem Wirkungsgrad weisen eine geringere Degradationsrate auf, was ihre langfristige Effizienz sichert.

Übrigens: Planen Sie Photovoltaik auf einem Flachdach, müssen Sie zusätzlich unter anderem den Neigungswinkel der Module berücksichtigen.

Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen berechnet?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird durch das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur einfallenden Sonnenenergie bestimmt. Mit der folgenden Formel erfolgt die Berechnung vom Wirkungsgrad für Photovoltaik:

In dieser Formel ist die elektrische Ausgangsleistung die Energie, die die Solarzelle unter Standard-Testbedingungen – beziehungsweise Standard Test Conditions (STC) – erzeugt, in der Regel bei einer Sonneneinstrahlung von 1000 W/m² und einer Zelltemperatur von 25 °C. Die einfallende Sonnenleistung ist die Energiemenge, die auf die Fläche der Solarzelle trifft.

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Experten-Beispiel: Bei einem 1 m² großen Solarmodul, das bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² eine Leistung von 200 Watt abgibt, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 20 %. Dieser Wert ist ein idealer Vergleichsmaßstab für die Effizienz unterschiedlicher Solarmodule.

Fazit: Mit Enter PV-Anlage mit hohem Wirkungsgrad anschaffen

Wenn Sie sich eine Photovoltaikanlage anschaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, können Sie langfristig von einer höheren Energieausbeute und damit auch von niedrigeren Stromkosten profitieren. Enter unterstützt Sie nicht nur bei der Auswahl der effizientesten Module, sondern auch bei der optimalen Ausrichtung und Installation Ihrer Anlage. Durch unseren umfassenden Service, der von der Solarberatung über die Installation von Fachbetrieben bis zur Beantragung staatlicher und regionaler Fördermittel reicht, stellen wir sicher, dass Ihre PV-Anlage über viele Jahre hinweg effizient arbeitet und Sie von maximalen Erträgen profitieren. Wir unterstützen Sie auch dabei, wenn Sie Ihr altes Dach sanieren und mit einer Solaranlage kombineren wollen.

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