Wie berechnet man den Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Nicht jede Solarzelle ist gleich. Die Sonnenkollektoren variieren in Ihrer Leistungsfähigkeit und den Ertragsmöglichkeiten. Ursächlich dafür sind verschiedene Faktoren, die über einen höheren oder niedrigeren Stromertrag entscheiden. Ein wichtiger Faktor ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle, wer also nach dem Wirkungsgrad von Photovoltaik fragt, der meint meist den Modulwirkungsgrad. Dieser Wert ist für viele Betreiber von großer Bedeutung, denn er gibt Auskunft über die Effizienz und Leistungsfähigkeit einer Solaranlage. Doch wie berechnet man den Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Spricht man über den Wirkungsgrad einer Solarzelle, dann ist in der Regel gemeint, wie viel der auf das Solarmodul eintreffenden Energie tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der Wert des Wirkungsgrades wird daher stets in Prozent angegeben und findet sich in den technischen Daten des Solarmoduls beziehungsweise der Solaranlage. Damit berücksichtigt der Wirkungsgrad einer Solarzelle also sämtliche (technische) Verluste, die zwischen dem einfallenden Licht der Sonne und dem tatsächlich zur Verfügung stehenden Strom eintreten.

Wichtig zu beachten ist, dass der Wirkungsgrad einer Solarzelle nicht identisch ist, mit dem Wirkungsgrad der gesamten Solaranlage. Während der Wirkungsgrad einer Solarzelle wirklich nur das eigentliche Solarmodul meint, beschreibt der Wirkungsgrad der Solaranlage die gesamte PV-Anlage. Hierbei spielt dann auch die Wirkungsgrade von den übrigen Komponenten der Anlage, wie zum Beispiel dem Wechselrichter, eine Rolle. Mit eingerechnet werden müssen auch Verschmutzungen und Verschattungen der PV-Module. Aus diesem Grund liegt der Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage immer unter dem Wert der Solarmodule, da zwangsläufig noch etwas mehr Energie verloren geht. 

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle lässt sich mit einer Formel recht einfach berechnen. Die Berechnung erfolgt, in dem die sogenannte abgeführte Energie (entspricht dem schlussendlich erzeugten und damit verfügbaren Solarstrom) durch die dem Modul zugeführte Energie (das Sonnenlicht) dividiert wird.

Daraus ergibt sich folgende Formel: P (Solarstrom) / P (Sonnenenergie) = η

Der Wirkungsgrad lässt sich auf dem technischen Datenblatt jedes Solarmoduls finden und wird dafür zuvor unter einheitlichen Bedingungen im Labor berechnet. Dieser Vorgang wird also sogenannte Standard Test Conditions beschrieben und setzt voraus, dass ein Solarmodul bei einer konstanten Zelltemperatur von 25 Grad Celsius mit einer Strahlungsstärke von 1.000 Watt je Quadratmeter und einer AirMass von 1,5. Die Bestrahlung des Moduls wird dabei so lange fortgeführt, bis die maximale Leistung (Pmpp) erreicht ist und der Ertrag des PV-Moduls sinkt.

Zum aktuellen Zeitpunkt verfügen marktübliche Solarzellen über einen Wirkungsgrad zwischen 15 und 25 Prozent. Sogenannte Hochleistungszellen können aber auch Werte von rund 40 Prozent erreichen, sind allerdings deutlich seltener in Verwendung. Das liegt in erster Linie an den deutlich höheren Kosten solcher leistungsstarken Module.

Der für Solarzellen berechnete Wirkungsgrad unterscheidet sich je nach PV-Modul aufgrund der unterschiedlichen Herstellungs- und Bauweise. Während zum Beispiel polykristalline Solarmodule meist nur einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent erreichen, sind die in fast allen Solaranlagen und Balkonkraftwerken enthaltenen monokristallinen Solarmodule deutlich leistungsstärker und erreichen Werte von 20 bis 25 Prozent. 

Den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu berechnen beziehungsweise zu kennen ist für den späteren Ertrag sehr wichtig. Je höher der Wirkungsgrad ist, umso mehr Leistung und Solarenergie liefert die Solaranlage in Ihrem Betrieb. Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist, desto mehr Energie lässt sich auf der identischen Fläche auch produzieren. Damit steigt der Ertrag und auch die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage.

Aus diesem Grund ist es wenig verwunderlich, dass die Forschung über die letzten Jahre an einer Verbesserung des Wirkungsgrades interessiert war. In den letzten 20 Jahren hat sich der Wirkungsgrad nach Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz in etwa verdoppelt. Im Jahr 2002 waren es noch rund 13 Prozent Wirkungsgrad, während moderne PV-Module heutzutage schon fast den doppelten Wert erreichen. Damit lässt sich Solarenergie heute effizienter und günstiger als jemals zuvor nutzen, denn auch die Herstellungskosten haben sich seither erheblich reduziert.

Betrachtet man den reinen prozentualen Wert des Wirkungsgrades, so fällt auf, dass dieser meist nicht einmal ein Viertel der theoretisch maximal möglichen Leistung erreich? Stand heute lässt sich schließlich nicht einmal die Hälfte des einfallenden Sonnenlichts für die Solarproduktion nutzen. Woran liegt das und warum ist der Wirkungsgrad von Solarzellen “so niedrig”?

Um diese Frage zu beantworten, lohnt sich ein Blick auf das Lichtspektrum des Sonnenlichts. Hier verhält es sich ähnlich wie mit dem Licht, das wir Menschen sehen können. Weitere Strahlungen, wie zum Beispiel das UV-Licht, sind für uns nicht sichtbar. Ähnliches gilt auch für kristalline Solarzellen, welche nur aus einem geringen Teil des Sonnenlichts Solarstrom produzieren können. Genauer gesagt nutzen diese dafür ausschließlich das sichtbare Licht, welches jedoch nur etwa 30 Prozent der gesamten durch die Sonne ausgehenden Strahlung entspricht. Aus diesem Grund können kristalline Solarmodule niemals mehr als einen Wirkungsgrad von 30 Prozent erreichen.

Doch auch hier wird längst an Technologien und Möglichkeiten gearbeitet, um diese Grenze zu umgehen. Doch diese sind einerseits noch nicht marktreif oder aber in der Herstellung schlicht zu teuer, sodass ein wirtschaftlicher und effizienter Betrieb nicht möglich wäre.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird immer unter idealen Bedingungen im Labor getestet. Für die Praxis bedeutet das aber, dass fast nie diese perfekten Bedingungen erreicht werden. Verschiedene Faktoren haben deswegen einen Einfluss auf den berechneten Wirkungsgrad der Solarzellen.

Die Ausrichtung, also in welche Himmelsrichtung die Modulfläche zeigt, ist einer der wichtigsten Werte. Die besten Erträge lassen sich im Süden erlangen, doch auch mit einer Ost- oder West-Ausrichtung sind ohne Probleme lohnenswerte Solarerträge möglich.

Der Winkel in dem das Modul aufgestellt und die Sonnenstrahlen eintreffen ist für den Ertrag ebenfalls entscheidend. Idealerweise sind die Solarmodule in etwa mit einem 30 Grad Winkel angebracht. Weicht der Montagewinkel davon ab, kann das Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle haben.

Auch für die Temperatur gilt, dass es ideale Bedingungen für eine optimale Produktion gibt. Ist es zu kalt oder zu warm, kann diese Veränderung auch den Ertrag der Solaranlage beeinflussen.

Über die Jahre hinweg altern auch die Solarmodule. So nimmt einerseits die Leistungsfähigkeit ab, andererseits können Verschmutzung bei mangelhafter Reinigung zu weiteren Einbußen führen.

Gut zu wissen: Balkonkraftwerk mit Speicher eigenen sich ideal für den Einstieg sowie die Steigerung des Solarertrags. Einerseits kann ohne Vorwissen und Elektriker eine eigene Stecker-Solaranlage in Betrieb genommen werden, andererseits lassen sich so aber auch noch ungenutzte Flächen für eine Solarnutzung realisieren.

Wie bereits erwähnt kann ein verändertes Wetter und damit vor allem einhergehende Schwankungen der Temperaturen auch zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führen. Aus diesem Grund wird häufig die Frage gestellt, wie sich der Wirkungsgrad einer Solarzelle im Winter verändert.

Hier muss zwischen zwei Aspekten unterschieden werden, einerseits der niedrigeren Temperatur und andererseits der geringeren Sonneneinstrahlung. Für den Lichteinfall gilt, dass auch an Tagen mit weniger Sonne und mehr Wolken ein nicht zu vernachlässigender Solarertrag zu erwarten ist. Der Ertrag reduziert sich hier in der Regel nicht mehr, als um 25 Prozent unter idealen Bedingungen.

Für die Wintermonate von Oktober bis April lässt sich sagen, dass hier etwa rund ein Drittel des jährlichen Solarstroms produziert wird - trotz niedrigerer Temperaturen und geringerer Sonneneinstrahlung. Im Winter reduziert sich der Solarertrag und Wirkungsgrad also, dennoch liefert eine Solaranlage nach wie vor relevante Mengen an elektrischem Strom.

Anders als der Wirkungsgrad eines einzelnen Moduls, beschreibt der Anlagenwirkungsgrad die gesamte PV-Anlage. Um diesen Wert anzugeben und zu berechnen, wurde eine weitere Messgröße etabliert, die sogenannte Performance Ratio. Dieser Messwert setzt den tatsächlichen Ertrag eine Solaranlage in das Verhältnis zum theoretisch maximal möglichen Ertrag. Um den Wirkungsgrad einer Solaranlage zu berechnen, müssen daher einige weitere Faktoren einbezogen werden.

Um die sogenannte Performance Ratio zu ermitteln, wird der am Zähler abgelesene Ertrag durch den Nominalen, also den in der Theorie maximal möglichen Ertrag der Anlage, geteilt. Um den nominalen Ertrag einer Solaranlage zu berechnen, müssen die Sonneneinstrahlung auf die Solarmodule, die Anlagengröße und der Wirkungsgrad der Solarzellen berücksichtigt werden. Der Anlagenwirkungsgrad liegt damit typischerweise zwischen 60 und 80 Prozent.

Natürlich ist der Wirkungsgrad der Solarzelle nicht einzig und alleine entscheidend für den Ertrag einer Solaranlage. Auch die übrigen verwendeten Komponenten, also in erster Line der Wechselrichter und die Verkabelung spielen eine wichtige Rolle. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters ist heute bereits sehr hoch und liegt bei allen gängigen Modellen über 98 Prozent. Damit geht hier zwar kaum Energie verloren, dennoch kommt nicht der gesamte eingeflossene Strom aus wieder aus dem Wechselrichter heraus.

Ein weiterer Faktor, der Einfluss auf den Wirkungsgrad einer Solaranlage hat, die Verkabelung. Auch hierbei können elektrische Widerstände im Leitmaterial zu Verlusten führen. Je höher der Widerstand, umso mehr Energie geht in Form von Wärme verloren. Das bei der Installation gewählte Leitermaterial, der Kabelquerschnitt und die Länge der Kabel haben damit ebenfalls einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solaranlage. Bei korrekter Verkabelung ist jedoch nur mit äußerst geringen Verlusten von deutlich unter einem Prozent zu rechnen.

Der Wirkungsgrad ist eine relevante Einheit, um zu beurteilen, wie viel Prozent des verfügbaren Sonnenlichts tatsächlich von den Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt werden können. Dieser Wert wird dabei unter Laborbedingungen, sogenannten Standard Test Conditions (kurz STC) berechnet und findet sich anschließend auf dem Datenblatt eines jeden Solarmoduls wieder. Marktübliche Solarmodule weisen derzeit einen Wirkungsgrad von 15 bis 25 Prozent auf.

Obwohl der Wirkungsgrad eine wichtige Einheit ist, sollte diesem nicht zu viel Aufmerksamkeit und Relevanz geschenkt werden. Andere Faktoren wie Ausrichtung und Neigungswinkel bieten ebenfalls große Hebel, um den Ertrag zu optimieren und auch Wechselrichter sowie Verkabelung haben Auswirkungen auf den Stromertrag. Gerade bei privaten Solaranlagen sollte daher nicht zu viel Wert auf den Wirkungsgrad gelegt werden. Ein Wert bei rund 20 Prozent ist völlig ausreichend, da Module mit höherem Wirkungsgrad häufig auch teurer sind. Eine solche Anschaffung lohnt sich nicht immer.

Wie man den Wirkungsgrad einer Solarzelle berechnet ist daher für die meisten Betreiber völlig irrelevant, da dieser ohnehin auf dem Datenblatt der technischen Details angegeben ist und nicht mehr selbst berechnet werden muss.