Der Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage: Was sagt er aus?
Je mehr Sonne, desto mehr Solarstrom – das ist klar. Eine wichtige Rolle spielt bei Photovoltaik außerdem der Wirkungsgrad: Er gibt an, wie viel Strom du aus dem einfallenden Sonnenlicht tatsächlich gewinnen kannst. Wir zeigen dir hier, welchen Effekt der Wirkungsgrad einer PV-Anlage hat und welche Faktoren ihn beeinflussen.
Das Wesentliche in Kürze
Definition: Der Wirkungsgrad bei Photovoltaik gibt an, wie viel der einfallenden Sonnenenergie du als elektrische Energie nutzen kannst.
Bedeutung: Der Wirkungsgrad ist ein nicht zu vernachlässigendes Auswahlkriterium – aber beim Kauf einer Solaranlage ist er nicht allein entscheidend. Am Ende zählt dein Gesamt-Setup.
Richtwert: Mit monokristallinen Solarzellen ist ein Wirkungsgrad von über 20 Prozent möglich. Das ist für Photovoltaik eine erstrebenswerte Größenordnung.
Effizienz: Achte beim Kauf von Solarmodulen auch auf deren Langlebigkeit, Qualität und Leistungsfähigkeit. Diese Kriterien tragen insgesamt zur Effizienz deiner PV-Anlage bei.
Bekannt aus
Was bedeutet der Wirkungsgrad bei PV-Anlagen?
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Sonnenenergie, die auf die Solarzellen fällt, von der Solaranlage in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Intuitiv wünschst du dir wahrscheinlich einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Doch das ist technisch gar nicht möglich. Die Solarzellen, aus denen jedes Photovoltaik-Modul besteht, können nämlich nur einen bestimmten Teil des Lichtspektrums überhaupt in Strom umwandeln. In der Praxis gilt ein Wirkungsgrad von rund 20 Prozent für ein Solarmodul als sehr gut. Die restliche Energie geht in Form von Wärme verloren.
Das Shockley-Queisser-Limit
Das sogenannte Shockley-Queisser-Limit wurde in den 1960er-Jahren berechnet und gilt als theoretische Höchstgrenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen. Diese Grenze liegt bei 33 Prozent und entsteht durch zwei grundlegende physikalische Einschränkungen: Erstens können Solarzellen nur Licht mit ausreichend Energie nutzen – zu „schwaches“ Licht (wie Infrarotstrahlung) wird einfach durchgelassen. Zweitens wird bei zu energiereichem Licht (wie UV-Strahlung) die überschüssige Energie als Wärme abgegeben und geht für die Stromerzeugung verloren.
Deshalb erreichen selbst die besten kommerziellen Solarmodule heute „nur“ Wirkungsgrade von etwa 20 bis 23 Prozent, was schon recht nahe an dieser theoretischen Grenze liegt. Forschende arbeiten jedoch an fortschrittlichen Technologien wie Mehrschicht-Solarzellen, die verschiedene Lichtspektren effizienter nutzen können. So lässt sich möglicherweise die Gesamtleistung von Solaranlagen zukünftig weiter steigern.
Wie hoch sind die Wirkungsgrade von PV-Anlagen?
Wie hoch der Wirkungsgrad deiner Photovoltaik-Anlage ist, hängt davon ab, welche Art von Solarzellen darin verbaut ist. In dieser Übersicht siehst du die Wirkungsgrade, Eigenschaften und Anwendungsbereiche verschiedener Varianten.
Gut zu wissen: Bei den Full-Black-Doppelglas-Solarmodulen von 1KOMMA5° handelt es sich um monokristalline Solarzellen.
So wird der Wirkungsgrad von Solarzellen ermittelt
Um den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu bestimmen, wird sie im Labor mit einem Sonnen-Simulator senkrecht bestrahlt, bei einer Außentemperatur von 25 Grad Celsius. Die Lichtquelle ahmt die Bedingungen natürlicher Sonnenbestrahlung nach, hat also eine Bestrahlungsstärke von 1000 Watt pro Quadratmeter. Nun wird gemessen, welche elektrische Leistung die Solarzelle erzeugt. Die Formel, mit der sich daraus der Wirkungsgrad errechnen lässt, lautet:
Wirkungsgrad = (elektrische Leistung / Bestrahlungsstärke) x 100 %
Stell dir vor, du hast eine Solarzelle von einem Quadratmeter Fläche. Diese erzeugt 200 Watt bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 Watt. Der Wirkungsgrad beträgt also:
(200 W/m² / 1000 W/m²) x 100 % = 20 %
Hier siehst du, welchen Unterschied verschiedene Wirkungsgrade bezüglich des Stromertrags machen:
Der vom Hersteller angegebene Wirkungsgrad von Solarzellen ist der theoretisch mögliche Wert. Doch es gibt noch weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad und somit die Effizienz deiner Photovoltaik-Anlage beeinflussen und den Wert verringern können.
Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad von PV-Anlagen?
Neben der natürlichen Begrenzung des Wirkungsgrades bei Solaranlagen spielen auch technische, bauliche und umweltgegebene Bedingungen eine Rolle. Sie können den Wirkungsgrad weiter verringern. Indem du bestehende Hindernisse beseitigst, kannst du jedoch dazu beitragen, dass deine PV-Anlage einen möglichst hohen Wirkungsgrad behält.
Technische Faktoren
An der Solaranlage selbst können folgende Faktoren zu Leistungsverlusten führen:
Sobald die Solarzellen während der Herstellung zu Modulen zusammengesetzt werden, kommt es zu geringfügigen Verlusten, zum Beispiel aufgrund der Verkabelung. Sie liegen bei etwa 2 bis 3 Prozent.
Auch der Wechselrichter, ein wichtiger Teil jeder PV-Anlage, hat einen eigenen Wirkungsgrad. Der ist mit 96 bis 98 Prozent sehr hoch, dennoch wirken sich die 2 bis 4 Prozent Verlust auf den Gesamtertrag der Anlage aus.
Die Verkabelung der Photovoltaik-Anlage insgesamt bringt ebenfalls gewisse Verluste mit sich. Sie sind im Vergleich sehr gering (1 bis 2 Prozent), sofern die Anlage professionell geplant und installiert wurde. Bei nicht fachgerechter Verkabelung können die Verluste aber durchaus größer ausfallen.
Verschattung
Schon kleine Verschattungen durch Bäume oder Schornsteine können die Effizienz einer Photovoltaik-Anlage deutlich verringern. Auch wenn jetzt noch keine Verschattung in Sicht ist: Bedenke, dass die Anlage 30 oder mehr Jahre arbeiten soll. In dieser Zeit können Bäume wachsen und Gebäude gebaut werden. Das solltest du bei der Planung unbedingt berücksichtigen.
Mit modernen Mikro-Wechselrichtern lässt sich dieses Problem allerdings mildern. Mikro-Wechselrichter arbeiten auf der Ebene einzelner Solarmodule, während herkömmliche String-Wechselrichter für ganze Modulstränge zuständig sind. Wenn ein Modul in einem String verschattet oder verschmutzt ist, reduziert sich bei String-Wechselrichtern die Leistung des gesamten Strangs auf das Niveau des schwächsten Moduls. Mikro-Wechselrichter liefern dagegen mehr Ertrag, da jedes Modul unabhängig seinen maximalen Leistungspunkt erreichen kann. Bei 1KOMMA5° erhältst du neben Strings auf Wunsch auch Mikro-Wechselrichter.
Ungünstige Ausrichtung
Wichtig für einen möglichst hohen Ertrag ist bei PV-Anlagen, dass Ausrichtung und Neigungswinkel stimmen. Idealerweise ist dein Dach nach Süden ausgerichtet. Ost-West-Ausrichtungen sind ebenfalls attraktiv. Dein Dach beziehungsweise die Solarmodule sollten in Deutschland in einem Winkel von 30 bis 35 Grad geneigt sein. Abweichungen vom optimalen Neigungswinkel können sich schnell auf den Wirkungsgrad der Anlage auswirken.
Temperatur
Je höher die Betriebstemperatur deiner Solarzellen steigt, desto weiter sinkt ihr Wirkungsgrad. Ideal ist eine Temperatur von 25 Grad Celsius. Doch im Sommer können Solarmodule sehr viel heißer werden, bis zu 85 Grad Celsius. Wie gut die Solarmodule das aushalten, hängt von der Hitzebeständigkeit des Materials ab. Zudem sollten von vornherein effiziente Möglichkeiten zur Wärmeableitung, Kühlung und Luftzirkulation eingeplant werden.
Schlechte Lichtverhältnisse
Solarzellen, die unter Laborbedingungen beste Ergebnisse liefern, können in der Praxis untauglich sein, wenn sie bei schwächerem Licht ineffizient arbeiten (Schwachlichtverhalten). Daher lohnt es sich, auf im Alltag bewährte Solarmodule von hoher Qualität zu setzen.
Degradation
Mit Degradation ist der Wirkungsgradverlust gemeint, der mit zunehmender Lebensdauer automatisch durch Alterung der Solarmodule entsteht. Dieser Verlust beträgt jedoch im Schnitt nur 0,5 Prozent pro Jahr, ist also sehr gering. Nach zehn Jahren hätten die Solarmodule noch 95 Prozent des ursprünglichen Wirkungsgrades. Und nach 30 Jahren sind es immer noch sehr gute 85 Prozent.
LID und PID
Neben der Altersdegradation gibt es bei PV-Anlagen noch die potenzialinduzierte Degradation (PID) und die lichtinduzierte Degradation (LID):
Die LID tritt in den ersten Betriebsstunden bis -tagen auf, wenn die Module erstmals dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Sie führt zu einem einmaligen, meist geringen Leistungsabfall.
Die PID entsteht durch einen hohen Potenzialunterschied zwischen den Solarzellen und anderen Teilen des Moduls wie dem Glas, der Fassung oder dem Aluminiumrahmen. Je nach Schweregrad kann PID zu Leistungsverlusten von 30 bis zu 70 Prozent innerhalb weniger Jahre führen. Die gute Nachricht ist, dass PID in vielen Fällen durch geeignete Maßnahmen verhindert oder sogar rückgängig gemacht werden kann. Moderne Module werden zunehmend mit PID-resistenten Technologien hergestellt, und es gibt verschiedene Lösungsansätze für bestehende Anlagen.
Wie kann ich die Effizienz meiner Photovoltaik-Anlage erhöhen?
Es gibt Faktoren, auf die du keinen Einfluss hast, beispielsweise wie oft und wie stark die Sonne scheint. In Deutschland kannst du im Durchschnitt von einer Sonneneinstrahlung von 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr ausgehen. Im Süden ist die Einstrahlung stärker, doch auch in Norddeutschland lassen sich problemlos wirtschaftlich arbeitende PV-Anlagen betreiben.
Andere Faktoren kannst du mit einer intelligenten Planung deiner Solaranlage steuern:
Richte deine Solaranlage nach Süden oder in Ost-West-Richtung aus und beachte den korrekten Neigungswinkel.
Vermeide Verschattungen. Mikro-Wechselrichter an den Modulen ermöglichen es, sie einzeln anzusteuern und so die Leistung zu optimieren.
Halte die Solaranlage sauber, denn auch verschmutzte Solarmodule schmälern den Ertrag. In aller Regel sind die Module allerdings selbstreinigend, sodass du nur grobe Verschmutzungen entfernen (lassen) musst.
Optimiere die Temperatur, zum Beispiel durch spezielle Installationen, die die Luftzirkulation und Wärmeableitung fördern.
Setze auf Solarmodule mit einer langen Leistungsgarantie. 30 Jahre sind empfehlenswert. Doch Achtung: Bei Billigfirmen, die keinen deutschen oder zumindest europäischen Sitz haben, kann es schwierig sein, Garantien geltend zu machen. Entscheide dich lieber für ein näher liegendes Unternehmen, das Qualitätskomponenten und Ansprechpartner vor Ort anbietet.
Nutze ein intelligentes Energiemanagementsystem wie Heartbeat AI von 1KOMMA5°.
Heartbeat AI vernetzt die Komponenten deines Energiesystems (Solaranlage, Stromspeicher, ggf. Wärmepumpe und Wallbox) und stimmt sie optimal aufeinander ab. Dadurch steigert sich die Effizienz aller Komponenten. Du sparst Strom und dein System holt dauerhaft das Beste für dich heraus.
So könnte sich die Effizienz von Photovoltaik-Anlagen in Zukunft noch verbessern
Noch im Jahr 2002 hatten Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von etwa 13 Prozent. Heute sind, wie bereits erwähnt, mehr als 20 Prozent für eine PV-Dachanlage Standard. Die leistungsstärksten Solarzellen, die die Forschung bereits vorweisen kann, erreichen zwar beeindruckende Wirkungsgrade von fast 50 Prozent. Sie sind allerdings in der Herstellung sehr teuer und weisen noch einige Schwächen auf, deshalb sind sie bislang nicht markttauglich. Forschende arbeiten jedoch bereits an Lösungen, mit denen diese effektiveren Solarzellen bald für den Alltagsgebrauch nutzbar sein könnten.
Jetzt fragst du dich vielleicht: Sollte ich auf diese höheren Wirkungsgrade warten, bevor ich mir eine Solaranlage zulege? Die Antwort ist: Nein. Niemand weiß, wie schnell sich diese unter Laborbedingungen erreichbaren Werte auch in realistische, markttaugliche Produkte umsetzen lassen. Große Sprünge sind in absehbarer Zeit nicht zu erwarten. Erfahrungsgemäß entwickeln sich die Wirkungsgrade eher graduell. Du kannst also guten Gewissens jetzt schon in umweltfreundliche Solarenergie investieren und den Faktor Zeit für dich arbeiten lassen. Denn eine PV-Anlage spart ab der Inbetriebnahme täglich bares Geld.
Expertenwissen: Eine Dünnschichtsolarzelle, die im Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit Laserlicht bestrahlt wurde, erreichte sogar einen Wirkungsgrad von 68,9 Prozent. Ein solcher Rekordwert ist allerdings bis jetzt noch die Ausnahme und unter Laborbedingungen entstanden.
Günstig Strom erzeugen mit Qualitätsmodulen von 1KOMMA5°
Die Solarmodule von 1KOMMA5° verfügen über einen Wirkungsgrad von 22,8 Prozent und erzeugen günstigen Strom ab 5 Cent pro Kilowattstunde. Als einziger deutscher Hersteller verwenden wir ausschließlich Polysilizium aus Bayern und Sachsen. Höhere Produktionskosten nehmen wir für Top-Qualität gerne in Kauf. Außerdem bieten wir dir eine Produkt- und Leistungsgarantie von 30 Jahren.
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Fazit: Wie wichtig ist der Wirkungsgrad bei PV-Anlagen?
Der Wirkungsgrad der Solarmodule ist durchaus ein relevanter Faktor, wenn du über Photovoltaik auf dem Dach deines Eigenheims nachdenkst. Jedoch soll deine Solaranlage vor allem wirtschaftlich arbeiten und der Kaufpreis soll sich möglichst schnell amortisieren. Entscheidender als der Wirkungsgrad allein sind also das Preis-Leistungs-Verhältnis und die Gesamtrendite der Anlage.
Die für PV-Dachanlagen üblichen Solarzellen aus Silizium sind derzeit die beste Wahl für eine Solaranlage, die sich finanziell lohnen soll. Wichtiger als der Wirkungsgrad ist bei Photovoltaik zudem die Langlebigkeit – ausgedrückt etwa durch eine mindestens 30-jährige Leistungsgarantie auf Solarmodule. Lass dich von einem der vielen Meisterbetriebe von 1KOMMA5° in ganz Deutschland beraten: Wir planen und installieren deine Solaranlage und dein gesamtes Energiesystem so effizient wie möglich – individuell und aus einer Hand.