Der Wirkungsgrad von Photovoltaik – was ist das?

Der Wirkungsgrad im Bereich Photovoltaik verrät dir, wie viel elektrische Energie du aus der Sonnenenergie gewinnen kannst, die auf die Solarmodule deiner Solaranlage trifft. Intuitiv würden wir uns einen Wirkungsgrad von 100 Prozent wünschen – also eine vollständige Umwandlung von einer Energieform in die andere. Doch das ist technisch nicht möglich.

In der Praxis gilt ein Wirkungsgrad von rund 20 Prozent für ein Solarmodul als sehr gut. Grund dafür ist etwa, dass die Solarzellen, aus denen ein Modul besteht, nur einen bestimmten Teil des Lichtspektrums überhaupt in Strom umwandeln können. Zudem entstehen weitere Leistungsverluste, wenn die Solarzellen zu Modulen zusammengesetzt werden. Auch der Wechselrichter und die Verkabelung sind für einen geringeren Wirkungsgrad verantwortlich.

• Das sogenannte Shockley-Queisser-Limit wurde in den 60er-Jahren berechnet und gilt als theoretische Höchstgrenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen. Diese beträgt 33 Prozent. Eine höhere Energieumwandlung in Strom ist aufgrund der Konstruktion von Solarzellen als Halbleiterbauelemente nicht möglich. Die restliche Energie geht in Form von Wärme verloren. Allerdings gibt es mittlerweile Techniken, mit denen diese Grenze sich dennoch sprengen lässt – etwa indem unterschiedliche Zellen übereinandergelegt werden.

• Sobald die Solarzellen zu Solarmodulen zusammengesetzt werden, kommt es ebenfalls zu geringfügigen Verlusten, zum Beispiel aufgrund der Verkabelung. Sie fallen jedoch kaum ins Gewicht.

• Auch der Wechselrichter, ein wichtiger Teil jeder PV-Anlage, hat einen eigenen Wirkungsgrad. Er ist mit 96–98 Prozent sehr hoch, dennoch wirkt er sich auf den Gesamtertrag der Anlage aus.

• Die Verkabelung der Photovoltaikanlage insgesamt bringt ebenfalls gewisse Verluste mit sich. Sie sind im Vergleich aber sehr gering, sofern die Anlage professionell geplant und installiert wurde.

Da die Sonne eine unerschöpfliche, kostenlose Energiequelle ist, lohnt sich eine Solaranlage trotz der Verluste. Und mit unseren Tipps weiter unten kannst du selbst dazu beitragen, den bestmöglichen Wirkungsgrad aus deiner Photovoltaikanlage herauszuholen. 

Der Wirkungsgrad der Solarmodule ist zwar ein wichtiger Punkt bei der Entscheidung für Photovoltaik auf dem Dach des Eigenheims. Jedoch soll eine Solaranlage vor allem wirtschaftlich arbeiten, der Kaufpreis soll sich also möglichst schnell amortisieren. Bei gut geplanten Solaranlagen ist das praktisch immer der Fall. Die für PV-Dachanlagen üblichen Solarzellen aus Silizium sind derzeit die beste Wahl für eine Solaranlage, die sich finanziell lohnen soll.

• Monokristalline Solarzellen (Wirkungsgrad über 20 % möglich): Diese Solarzellen aus Silizium punkten mit hoher Effizienz und ästhetischer schwarzer Farbe. Sie sind der „goldene Standard“ für Auf-Dach-Photovoltaikanlagen.

• Polykristalline Solarzellen (Wirkungsgrad bis zu 20 %): Die blau schimmernden polykristallinen Solarzellen werden mittlerweile seltener hergestellt. Im privaten Bereich sind sie fast vollständig durch monokristalline Zellen ersetzt worden.

• Amorphe Dünnschichtsolarzellen (Wirkungsgrad bis zu 14 %): Amorphe bzw. anorganische Solarzellen sind günstig in der Herstellung, wegen ihres geringen Wirkungsgrads aber eher für große Freiflächenanlagen als für platzbegrenzte Hausdächer geeignet.

• Organische Dünnschichtsolarzellen (Wirkungsgrad etwa 10 %): Diese Solarzellen aus organischen Materialien haben einen geringen Wirkungsgrad, sind dafür aber so flexibel, dass sie zum Beispiel auf Folien aufgedruckt werden können. 

• Tandem- und Hybridsolarzellen (Wirkungsgrad über 40 % möglich): Tandem- und Hybridsolarzellen bestehen aus mehreren Schichten, die jeweils unterschiedliche Teile des Lichtspektrums umwandeln können. So steigt der Wirkungsgrad. Wegen der hohen Kosten sind sie allerdings (noch) nicht für private Dachanlagen geeignet. 

Für den Wirkungsgrad von Photovoltaik sind neben den verwendeten Materialien für die Panels selbst noch weitere Faktoren entscheidend. Viele davon kannst du gemeinsam mit der Fachkraft, die deine PV-Anlage plant – selbst positiv beeinflussen.

Es gibt Faktoren, auf die hast du keinen Einfluss, beispielsweise die Sonneneinstrahlung.  In Deutschland kannst du im Durchschnitt grob 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, sodass du von möglichst viel Ertrag profitierst.

• Ausrichtung: Idealerweise ist dein Dach nach Süden ausgerichtet. Da aber Abweichungen von bis zu 45 Grad den Ertrag nur geringfügig schmälern, ist auch der Wirkungsgrad von Photovoltaik mit Ost-West-Ausrichtung noch ausgesprochen attraktiv.

• Neigungswinkel: Der Wirkungsgrad einer Solaranlage ist am höchsten, wenn das Sonnenlicht senkrecht auf die Module trifft. Damit das im Durchschnitt über den Tages- und Jahresverlauf möglichst oft der Fall ist, sollten die Module idealerweise im Winkel von 30–35 Grad geneigt sein.

• Verschattungen: Schon kleine Verschattungen durch Bäume oder Schornsteine können die Effizienz von Photovoltaik deutlich verringern. Die Anlage soll 20, 30 oder mehr Jahre arbeiten – in dieser Zeit können Bäume wachsen und Gebäude gebaut werden. Das solltest du bei der Planung deshalb unbedingt bedenken.

• Verschmutzungen: Auch verschmutzte Solarmodule schmälern den Ertrag. Jedoch sind die Module in aller Regel selbstreinigend, sodass du nur grobe Verschmutzungen entfernen (lassen) musst.

• 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 zu setzen.

• Temperatur: Die besten Erträge liefern Solarmodule bei einer Temperatur von 25 Grad. Im Sommer liegen die Temperaturen deutlich darüber. Eine spezielle Installation, die die Luftzirkulation fördert, unterstützt die Kühlung.

• Lebensdauer: Alle Solarmodule verlieren über die Jahre an Effizienz. Neue Solarzellen werden ständig erforscht, doch hier fehlt die Erfahrung über Jahrzehnte. Umso wichtiger ist es, auf bewährte Module mit Leistungsgarantie zu setzen. 30 Jahre Leistungsgarantie sind empfehlenswert.

Noch im Jahr 2002 – also vor gut 20 Jahren – hatten Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von etwa 13 Prozent. Heute sind, wie oben bereits erwähnt, mehr als 20 Prozent für eine PV-Dachanlage Standard. 

Die leistungsstärksten Solarzellen, welche die Forschung derzeit vorweisen kann, erreichen zwar beeindruckende Wirkungsgrade von fast 50 Prozent. Sie sind allerdings in der Herstellung sehr teuer und besitzen außerdem andere Schwächen. Das macht sie bislang nicht markttauglich.

Die Effizienz von Photovoltaik schreitet aber weiter voran und Forschende arbeiten bereits an Lösungen, welche die effektiveren Solarzellen auch für den Alltagsgebrauch erschwinglich werden lassen. 

Trotz des niedrig erscheinenden Wirkungsgrads lohnt sich eine Solaranlage auf dem Dach: Eine gut geplante Photovoltaikanlage amortisiert sich innerhalb weniger Jahre und liefert anschließend praktisch kostenlosen Solarstrom – über Jahrzehnte hinweg.

Noch schneller erreichst du diesen Punkt, wenn du außerdem auf einen dynamischen Stromtarif und eine intelligente Steuerung deines Stromverbrauchs setzt. Denn wenn deine Solaranlage einmal nicht genügend Strom produziert, kaufst du den darüber hinaus benötigten Strom so immer zu den günstigsten Preisen. Das Prinzip dahinter ist einfach: Dynamische Tarife orientieren sich an den schwankenden Preisen an der Strombörse. Diese sind immer dann besonders niedrig, wenn viel erneuerbare Energie aus Wind und Sonne ins Stromnetz fließt. Gleichzeitig sorgt die intelligente Energie-Software-Plattform Heartbeat AI von 1KOMMA5° dafür, dass immer die günstigsten Zeitfenster für den Zukauf von Netzstrom ausgewählt werden. Das bedeutet für dich Strompreise ab 0 Cent pro Kilowattstunde. Starte noch heute deinen Weg zu dauerhaft günstiger und grüner Stromversorgung!