Der Wirkungsgrad von Solarzellen einfach erklärt (2024)

Der Wirkungsgrad von Solarzellen steht seit Jahren im Fokus der Photovoltaikbranche. ForscherInnen und IngenieurInnen versuchen durch immer aufwändigere Verfahren auch das letzte bisschen Stromertrag aus den Modulen herauszukitzeln.

Sowohl bei Balkonkraftwerken als auch bei größeren Solaranlagen bedeutet ein höherer Wirkungsgrad der Solarzellen mit Solarstromproduktion und damit mehr Stromkosteneinsparung, mehr Nachhaltigkeit und eine schnelle Amortisation der Anlagen.

Aber trotz politischer Initiativen und großzügiger Finanzierung stößt die Industrie an ihre Grenzen. Ist eine konstante Weiterentwicklung des Wirkungsgrades überhaupt noch möglich?

Was der Wirkungsgrad einer Solarzelle eigentlich aussagt, welche PV-Module für Dich am sinnvollsten sind und ob es tatsächlich eine physikalische Obergrenze für den Wirkungsgrad gibt, erfährst Du in diesem Beitrag.

Was genau ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad von 100 Prozent würde also bedeuten, dass die gesamte Energie der Sonne als Solarstrom genutzt werden kann.

Marktüblich ist heute ein Wirkungsgrad von 18 bis 24 % – das heißt, moderne Module verwerten circa ein Viertel der einfallenden Sonnenstrahlung. Damit hat sich die Effizienz von Solarzellen in den letzten 20 Jahren mehr als verdreifacht. Diese rasante Weiterentwicklung ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass der maximale Wirkungsgrad ein entscheidendes Verkaufsargument für KäuferInnen ist.

Und das kommt nicht von ungefähr: Eine effektivere Energieumwandlung bedeutet mehr Ertrag bei gleichbleibender Fläche. Deshalb ist der Wirkungsgrad besonders für Kleinanlagen interessant, bei denen der Platz oft ein limitierender Faktor sein kann.

Wie wird der Wirkungsgrad von Solarzellen berechnet? (mit Formel)

Der Wirkungsgrad von Solarzellen lässt sich im Labor sehr genau bestimmen. Das Photovoltaikmodul wird so lange innerhalb der sogenannten Standard Test Conditions (Zelltemperatur von 25 °C, Strahlungsstärke von 1000 W/m², AirMass von 1,5) mit Licht bestrahlt, bis der Punkt der maximalen Leistung (Pmpp) erreicht ist und der Stromertrag des Moduls nachlässt.

Das Formelzeichen für den Wirkungsgrad von Solarmodulen heißt Eta (η). Berechnet wird er, indem die abgeführte Energie (also der letztendlich erzeugte Solarstrom) durch die zugeführte Energie (das heißt die Energie der Sonne) dividiert wird. Daraus ergibt sich folgende Formel:

Je geringer die Verluste ausfallen, desto höher ist der Wirkungsgrad und damit auch die Effizienz des Solarmoduls.

Wirkungsgrade unterschiedlicher Solarzellen im Vergleich

Es gibt viele unterschiedliche Arten von PV-Modulen, die sich stark in Herstellungsart und Wirkungsgrad unterscheiden. Die am weitesten verbreitete Variante sind die sogenannten kristallinen Solarzellen. Sie werden aus stabilen Silizium-Kristallen hergestellt und bieten vor allem für private Anlagen die beste Kombination aus Wirkungsgrad und Preis.

Polykristalline Solarzellen erreichen heute Wirkungsgrade von 14 bis 20 %. Jedes Modul besteht aus einer Vielzahl an kleinen, miteinander verbundenen Silizium-Halbleitern. Die Verbindungen sind aufgrund ihrer Größe leicht herstellbar, verlieren allerdings in den Grenzbereichen an Wirkung. Die bläulich schimmernden PV-Zellen wurden früher häufiger verbaut, haben aber mittlerweile gegenüber monokristallinen Solarzellen an Relevanz verloren. 

Die komplexen, aber effektiven monokristallinen Solarzellen sind leicht an ihrer schwarzen Färbung zu erkennen. Sie bestehen aus einem einzigen, großen Kristall und erreichen so Wirkungsgrade von 20 bis 24 %. In den letzten Jahren haben sie sich dank ihres guten Preis-Leistungsverhältnisses zum „goldenen Standard“ für PV-Anlagen entwickelt.

Eine untergeordnete Rolle spielen die Dünnschichtmodule, die meist aus amorphen Silizium bestehen und lediglich auf ein Trägermaterial aufgedampft werden müssen. Das macht sie in der Herstellung sehr billig, führt aber auch zu einem relativ niedrigen Wirkungsgrad von ca. 10 %. Sie kommen vor allem in Großprojekten zum Einsatz, bei denen kein Platz gespart werden muss, aber die Investitionskosten gesenkt werden sollen.

Darüber hinaus haben organische PV-Module in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Sie sind sehr flexibel und können quasi auf jedes Material aufgedruckt werden, z.B. auf biegsame Folien. Die Wirkungsgrade sind mit 8 bis 10 % derzeit eher gering, deshalb ist eine Nutzung nur in Spezialfällen sinnvoll.

Warum ist der Wirkungsgrad von Solarzellen so "gering"?

Du bist nun vielleicht vom "geringen" Wirkungsgrad der PV-Anlagen überrascht. Auf den ersten Blick ist es tatsächlich erstaunlich, dass nach mehr als 70 Jahren Photovoltaik-Forschung nicht einmal 50 % der vorhandenen Sonnenenergie effektiv genutzt werden können. Woran liegt das?

Der Hauptgrund ist das Lichtspektrum der Sonne. Unterschiedliche Modularten können nur einen geringen Teil des gesamten Sonnenlichts in Energie umwandeln. Kristalline Solarzellen nutzen z.B. nur sichtbares Licht- also lediglich 30 % der gesamten elektromagnetischen Sonnenstrahlung. In der Theorie ist deshalb ein Wirkungsgrad von mehr als 30 % für kristalline Photovoltaik-Zellen unmöglich.

Es gibt allerdings Möglichkeiten, um diese Grenze zu umgehen: Bisher sind viele dieser Technologien aber noch nicht markttauglich. Und gerade die Markttauglichkeit ist ein weiterer Grund, der die Leistungsfähigkeit von Solarmodulen beeinflusst.

Denn für ein praxistaugliches Produkt spielt nicht nur der maximale Wirkungsgrad eine Rolle: Der Preis für die Herstellung, die Haltbarkeit und das Verhalten unter suboptimalen Lichtverhältnissen sind für den Erfolg eines Moduls häufig ausschlaggebender als reines “Hinoptimieren” auf den Wirkungsgrad unter Optimalbedingungen.

Außerdem bietet das Licht der Sonne mehr als genug Energiepotenzial: Auch wenn moderne Module „nur“ 10 bis 24 % der Lichtenergie nutzen können, bieten sie dennoch großes Potenzial durch selbst erzeugten Strom eine Menge Geld zu sparen und gleichzeitig die Energiewende voranzubringen. 

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von Solarzellen?

Der maximale Wirkungsgrad ist für Deine Kaufentscheidung natürlich relevant, allerdings sind im Labor gemessene Werte nicht mit der tatsächlichen Moduleffizienz gleichzusetzen. In der Praxis gibt es nämlich eine Vielzahl an Faktoren, die den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinflussen:

• Ausrichtung: Der Ausrichtungswinkel, auch Azimutwinkel genannt, ist für maximalen Ertrag entscheidend. Eine nach Süden ausgerichtete Photovoltaikanlage ist optimal, da die Sonne hier am stärksten scheint. Trotzdem kann auch mit einer Abweichung von 45 Grad nach Westen oder Osten noch bis zu 95 % des maximal möglichen Ertrages erzielt werden. Ein alternativ ausgerichtetes Dach bedeutet also nicht automatisch das Aus für Deine Solaranlage.
• Modulneigung: Solarzellen erzielen den besten Ertrag, wenn das Sonnenlicht im 90 Grad-Winkel auf die Module trifft. Allerdings ändert die Sonne im Laufe des Tages ihren Stand und damit auch den Einstrahlungswinkel. In der Praxis wird deshalb meist der Aufstellwinkel gewählt, der im Jahresdurchschnitt am häufigsten optimal zur Sonne ausgerichtet ist. In Deutschland liegt dieser bei etwa 30 bis 35 Grad.
• Temperatur: Solarzellen verlieren bei zu hoher Betriebstemperatur an Effektivität. Deshalb sind leicht bewölkte Tage oft besser für die Stromerzeugung, da die Energie des Sonnenlichts nur geringfügig aufgehalten wird, aber die Module nicht so stark erhitzen. Eine Betriebstemperatur von 25 Grad ist optimal.
• Alter der Anlage: Mit zunehmender Lebensdauer nimmt die Leistung der PV-Anlage ab. Allerdings bleiben die Module für ca. 20 bis 25 Jahre effektiv. 
• Strahlungsintensität: Der wohl wichtigste Faktor für die Effektivität von Photovoltaikmodulen ist die Globalstrahlung der Sonne, also wie viel Licht durch die Atmosphäre dringt und auf die Erdoberfläche trifft. Die Strahlungsintensität variiert stark in unterschiedlichen Regionen: So liegt die Strahlungsstärke in der Sahara durchschnittlich bei 2500 kWh/m², während in Deutschland ca. 1000 kWh/m² den Standard darstellen.

Wie verändert sich der Wirkungsgrad von Solarzellen im Schatten oder im Winter?

Gerade in Deutschland sind die Bedingungen für Photovoltaik nicht immer optimal. Deshalb wird oft die Frage gestellt, wie sich der Anlagenwirkungsgrad bei Schatten oder im Winter verändert.

Grundsätzlich wird der Einfluss des Wetters auf den Stromertrag häufig überschätzt. Auch an leicht bewölkten Tagen arbeiten moderne Anlagen relativ nah am Maximalertrag. Wenn die Sonne gar nicht scheint, sinkt die Effektivität auf ungefähr 10 bis 25 % der Höchstleistung. Eine 10 kWp-Anlage produziert im Schatten also nicht mehr 30 kWh Strom pro Tag, sondern nur noch ca. 3,5 kWh.

Besonders die sogenannte Teilverschattung kann ein großes Problem für Deine PV-Anlage darstellen. Da Module einer größeren Photovoltaikanlage normalerweise in Reihe geschaltet werden, fällt der gesamte Ertrag der Anlage mitunter stark ab. Liegt ein Teil der Module im Schatten, z.B. durch Bäume oder Satellitenschüsseln, wird der maximale Leistungspunkt vom Wechselrichter der Anlage für diese Modulreihe ungenauer ermittelt. Für diesen Fall ist die Nutzung von Mikrowechselrichtern sinnvoll, die die maximale Arbeitsfähigkeit jedes einzelnen Moduls ermitteln.

Im Winter lässt die Globalstrahlung der Sonne stark nach, weshalb die Stromerträge in dieser Jahreszeit eher gering ausfallen. Trotzdem werden ca. 30 % des Jahresertrags zwischen Oktober und April erzeugt. Als Faustregel gelten 350 kWh pro kWp bei klarem Himmel: Ein 100-Watt-Solarmodul erzeugt im Winter also ungefähr 30 Watt pro Tag.

Gibt es einen "maximalen" Wirkungsgrad von Solarzellen?

Theoretisch gibt es einen maximalen physikalischen Wirkungsgrad für Photovoltaikmodule. Die sogenannte „Shockley-Queisser-Grenze“ besagt, dass die Elektronen der Halbleiterkristalle immer nur einen Teil der Sonnenenergie in nutzbaren Strom umwandeln können, der Rest wird zwangsläufig in Wärme transformiert und ist somit unbrauchbar.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist deshalb auf 30 bis 40 % begrenzt. Dieses Limit gilt aber nur für Halbleiterkristalle mit einem Materialübergang. ForscherInnen arbeiten bereits an Mehrfach-Zellen, die höhere Wirkungsgrade ermöglichen sollen.

Welche neuen Entwicklungen zum Wirkungsgrad von Solarzellen gibt es in der Forschung?

PERC-Solarzellen sind heute Standard am Markt, galten vor wenigen Jahren aber noch als großer Durchbruch. Die Idee basiert auf einer speziellen Rückseitenbeschichtung, die auch das Sonnenlicht absorbieren kann, das die Solarzelle durchdrungen hat, ohne Strom zu erzeugen. Die Effizienz der Module wird dadurch wesentlich verbessert.

Es gibt aber auch Zukunftstechnologien, die ein erheblich größeres Potenzial zur Steigerung des Stromertrags besitzen: Perowskit-Solarzellen sind Dünnschichtmodule, die aus sogenannten Halid-Perowskiten bestehen, einer Halbleiterverbindung aus organischen und anorganischen Materialien. Diese revolutionäre Hybridstruktur ermöglicht in der Theorie Wirkungsgrade von bis zu 34 %, lässt sich aber trotzdem sehr billig herstellen. WissenschaftlerInnen in Korea ist es bereits 2020 gelungen, ein Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 % herzustellen.

Die höchsten Wirkungsgrade werden allerdings mit Tandem-Solarzellen erzielt. Hier werden unterschiedliche Modularten kombiniert, die verschiedene Teile des Lichtspektrums optimal aufnehmen können. Damit gibt es quasi keine Obergrenze für den Wirkungsgrad. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) entwickelte 2022 die bis heute wirkungsvollste Solarzelle mit einer Effizienz von 47,6 %.

Vieler dieser Technologien sind jedoch noch nicht marktreif. Die Testresultate der vergangenen Jahre sind allerdings vielversprechend. Experten halten es deshalb für wahrscheinlich, dass die Wirkungsgrade von Photovoltaikanlagen in den nächsten 10 Jahren stark ansteigen werden.

Wie wichtig ist der maximale Wirkungsgrad für PV-Module?

Der maximale Wirkungsgrad ist natürlich eine relevante Größe für den Stromertrag Deiner Solarzellen. Trotzdem ist es wichtig zu verstehen, dass der maximale Wirkungsgrad nur etwas über das Verhalten des Moduls bei Optimalbedingungen aussagt, die gerade in Deutschland selten erreicht werden.

Außerdem gleicht sich der Ertrag Deiner Photovoltaikzellen nicht unbedingt mit dem Deiner gesamten Anlage. Zwischen Modul und Steckdose kann auch an anderen Stellen Strom verloren gehen: Je länger und größer die Verbindungskabel zwischen Solarpanel und Wechselrichter, desto mehr Energie wird beispielsweise an die Umwelt abgegeben.

Auch der Wechselrichter selbst macht einen großen Unterschied: Moderne Geräte haben im Normalfall eine sehr hohe Effizienz. Der übliche Wechselrichterwirkungsgrad liegt zwischen 96 und 98 %.

Fazit: Der maximale Wirkungsgrad ist wichtig, aber nicht entscheidend  

Natürlich sollte der maximale Wirkungsgrad Deiner Solarmodule ein wichtiger Faktor für die Kaufentscheidung sein - aber auf keinen Fall der einzige. Denn das Schwachlichtverhalten, die Haltbarkeit und die Wetterresistenz sind in der Praxis häufig entscheidender für Deinen tatsächlichen Stromertrag. Ein Hinoptimieren auf theoretische Maximalerträge ist deshalb selten sinnvoll. Entscheide Dich lieber für einen Anlagenaufbau, der im Jahresdurchschnitt Sinn macht.