Im Artikel geht es um den Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen, Solarzellen, Solarmodulen und weiterer Bestandteile.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad von PV-Anlagen?
Wenn nach dem Wirkungsgrad von PV-Anlagen gefragt wird, ist oftmals der Modulwirkungsgrad gemeint. Dieser liegt durchschnittlich zwischen 20 und 23 Prozent bei der Verwendung moderner monokristalliner PV-Module.
Der gesamte Wirkungsgrad der PV-Anlage ist etwas niedriger, weil die Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom und die Leitungsverluste der Solarkabel noch berücksichtigt werden müssen. Eine Photovoltaikanlage hat einen Wirkungsgrad von 13 bis 20 %.
Was sagt der Wirkungsgrad von Photovoltaik aus?
Der Wirkungsgrad ist eine Messgröße, die beschreibt, wie das Verhältnis von nutzbarer Energie zu zugeführter Energie ist. Man spricht deshalb auch von der Effizienz der Photovoltaikanlage. Der Wirkungsgrad der PV-Anlage wird gewöhnlich in Prozent angegeben.
Der perfekte Wirkungsgrad beträgt 100 Prozent oder 1,0. Allerdings kann der optimale Wirkungsgrad in der Realität nie erreicht werden, da bei der Umwandlung von Energie immer Verluste entstehen.
Alternativ zum Wirkungsgrad von Photovoltaik wird manchmal das Performance Ratio (PR) genutzt, welches das Verhältnis von produzierter Energie in kWh (Ist-Ertrag) zum theoretisch möglichen Optimum (Soll-Ertrag) angibt.
Normale Werte liegen zwischen 70 und 80 Prozent. Je höher das Performance Ratio, desto geringer fällt der Wirkungsgrad-Verlust der Photovoltaikanlage aus.
Wirkungsgrad einer Solarzelle
Der Wirkungsgrad einer handelsüblichen Solarzelle liegt zwischen 20 und 25,03 %. Besonders effizient sind HJT und TOPCON-Solarzellen. Heutzutage werden vorrangig monokristalline Solarzellen eingesetzt, weil sie deutlich höhere Wirkungsgrade als polykristalline Zellen erreichen.
In der folgenden Tabelle befinden sich geläufige Solarzellen (2023) geordnet nach Wirkungsgrad:
Zellenformat | Zelllentyp | Wirkungsgrad Solarzelle | elektr. Leistung (Pmpp) | Spannung (Umpp) | Stromstärke (Impp) |
|---|---|---|---|---|---|
M10 | HJT | 25,03 % | 8,35 W | 0,63 V | 13,21 A |
M12 | TOPCON | 24,40 % | 10,76 W | 0,62 V | 17,34 A |
M6 | HJT | 24,40 % | 6,69 W | 0,62 V | 10,75 A |
M10 | PERC | 24,00 % | 7,76 W | 0,60 V | 12,89 A |
M12 | PERC | 23,10 % | 10,18 W | 0,59 V | 17,26 A |
M6 | PERC | 22,90 % | 6,28 W | 0,59 V | 10,58 A |
Wie zu sehen ist, haben PERC-Solarzellen tendenziell einen etwas geringeren Wirkungsgrad im Vergleich mit den anderen Solarzellentypen. Zellen bzw. Wafer mit dem Formfaktor M6 werden mittlerweile von neueren Solarzellen der Größe M10 oder M10 geschlagen.
Alle Solarzellen in der oberen Tabelle sind monokristallin, denn für den Privatanwender stehen seit einigen Jahren nur noch monokristalline PV-Module zur Auswahl, weil diese in allen Belangen (z.B. Wirkungsgrad, Leistung) überlegen sind.
Dennoch gibt es eine Vielzahl von weiteren Zellentechnologien, welche wir jetzt anhand der Wirkungsgrade vergleichen.
Solarzellen Wirkungsgrad Tabelle
In der folgenden Tabelle sehen wir die Solarzellen mit dem höchsten Wirkungsgrad:
Zellentechnologie | Wirkungsgrad |
|---|---|
Monokristalline Solarzelle | 18 bis 25 % |
Polykristalline Solarzelle | 15 bis 20 % |
CIGS | 12 bis 16 % |
Dünnschicht (amorphes Silizium) | 6 bis 19 % |
Der verwendete Rohstoff hat eine entscheidende Auswirkung auf den Wirkungsgrad der PV-Zelle. Weit verbreitet sind vor allen Solarzellen auf kristalliner Basis, also monokristalline (einkristalline) Zellen und polykristalline (mehrkristalline) Solarzellen.
Monokristalline Siliziumzellen bieten den höchsten Wirkungsgrad für den Massenmarkt an und sind für die meisten Anwendungen, wie z.B. die private PV-Anlage auf dem Einfamilienhaus, bestens geeignet.
Die verschiedenen Zelltechnologien einer Dünnschichtzellen, z.B. Cadmiumtellurid (CdTe), leisten mittlerweile auch gute Wirkungsgrade von knapp unter 20 %.
Wie hoch ist der Rekord beim Wirkungsgrad von Solarzellen?
Der photovoltaische Effekt kann nur unter bestimmten Frequenzen des Lichtspektrums (Wellenlänge zwischen 400 und 1150 nm) funktioniert. Solarenergie besteht jedoch aus einem breiten Band des elektromagnetischen Spektrums, welches von der Solarzelle niemals vollständig genutzt werden kann.
Deshalb liegt die Effizienz von Solarmodulen aktuell bei etwa 25 Prozent, auch wenn in der Theorie, je nach verwendeter Technologie, bis über 33 Prozent Wirkungsgrad möglich sind.
Zwischen Theorie und Marktreife liegen aber Welten. Mittelfristig ist nicht damit zu rechnen, dass sich die Wirkungsgrade der marktfähigen Photovoltaik-Zellen drastisch steigern.
Doch schauen wir uns in der folgenden Grafik die Entwicklung der Wirkungsgradrekorde für kristalline Solarzelle an.
Rekorde der Wirkungsgrade von kristallinen Solarzellen im Zeitverlauf
© eigene Darstellung – echtsolar.de
Die verbreitetsten Zellen, basierend auf p-Type oder n-Type Halbleiter, sind noch nicht an ihrem theoretischen Maximalwirkungsgrad angelangt. Weit entfernt sind diese allerdings nicht.
So könnte die heterojunction-Solarzelle (HJT oder HIT) von LONGi im Jahr 2022 eine Effizienz von maximal 26,81 % im Testlabor von ISFH erreichen. Der auf dem Solarmarkt verfügbare maximale Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt aktuell noch bei etwa 25 %.
Neben Solarmodulen auf Basis von kristallinem Silizium gibt es viele weitere Technologien. In den letzten Jahren wurden Effizienz-Rekorde erzielt mit:
Perowskit/Si-Tandem
Galliumarsenid vom Typ III/V
Mehrfachsolarzellen (3 bis 4 verschiedenen Zellen kombiniert)
Die Solarzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad jemals wurde im Jahr 2022 vom Frauenhofer Institut ISE im Labor getestet und hat eine Effizienz von 47,6 %. Die konzentrierte Vierfachzelle besteht aus einer Kombination von 2 Tandemsolarzellen (AlGaInP/AlGaAs/GaAs/GaInAs).
Wirkungsgrad von PV-Modulen
Der Wirkungsgrad eines modernen monokristallinem PV-Moduls liegt bei 20 bis 22,8 %. Der Modulwirkungsgrad ergibt sich aus der Effizienz der verwendeten Solarzellen, abzüglich der Verluste von internen Zellverbindungen, Reflexionen und Eigenbeschattung.
Um den Wirkungsgrad vom Solarmodul sicher bestimmen zu können, wird dieser unter den Standardtestbedingen (STC) ermitteln.
Es gelten die folgenden Bestimmungen:
Zellentemperatur von 25 Grad Celsius
Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter
Luftmasse (Air Mass) von 1,5
Der Wirkungsgrad findet sich im Datenblatt vom PV-Modul und ist die wichtigste Vergleichskennzahl. Die Angabe der Effizienz macht Produkte unterschiedlicher Hersteller von Solarmodulen vergleichbar.
Ranking von Solarmodulen nach Wirkungsgrad geordnet
Tabelle: Top Solarmodule mit dem besten Wirkungsgrad
Möchten Sie noch mehr Daten von effizienten Modulen sehen? Schauen Sie sich den Solarmodul Wirkungsgrad Vergleich an.
Wirkungsgrad vom Wechselrichter
Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters liegt bei 95 bis 98 Prozent. Bei suboptimalen Witterungsbedingungen und geringer Sonneneinstrahlung läuft der Wechselrichter nicht im optimalen Leistungspunkt (MPP), sodass der tatsächliche Wirkungsgrad niedriger ausfällt. Dieses Phänomen wird mit der Angabe des „europäischen Wirkungsgrad“ eingerechnet.
Ein PV-Wechselrichter wandelt erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um. Dabei entstehen Umwandlungsverluste, hauptsächlich durch die Umwandlung in Wärmeenergie. Der Wirkungsgrad vom Wechselrichter sinkt bei höheren Temperaturen, weshalb die meisten Geräte ein aktives Lüftungssystem integriert haben.
Alle Wechselrichter-Hersteller geben im Datenblatt den maximalen Wirkungsgrad und den europäischen Wirkungsgrad an.
Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Speichers
Die meisten PV-Anlagen werden mit einem dazugehörigen Stromspeicher gekauft. Die Speicherung von Solarstrom führt zu einem Umwandlungsverlust. Das klassische System mit zusätzlichem Batteriewechselrichter liefert einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent.
Bei der Verwendung eines Hybridwechselrichters ist die Verlustleistung geringer, weil ein Umwandlungsprozess weniger stattfinden muss. Der Gleichstrom wird dabei ohne Umwandlung im PV-Speicher zwischengespeichert. Der Wirkungsgrad vom Stromspeicher liegt hier bei 93 bis 96 %.
Wie wird der Photovoltaik-Wirkungsgrad berechnet?
Die Formel für den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage:
η (Eta) = Nutzenergie / aufgewendete Energie
Wir benötigen nun beide Kenngrößen, um den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage zu berechnen.
Die Nutzenergie ist die tatsächliche Energie in Kilowattstunden, welche am PV-Produktionszähler gemessen wird. Die aufgewendete Energie entspricht der ankommenden Sonnenenergie, welche je nach Standort stark variiert.
In Deutschland beträgt die durchschnittlich Globalstrahlung (Daten 2022) 1227 kWh pro Quadratmeter. In der Sahara liegt der Wert bei über 2300 kWh/m².
Praxisbeispiel:
- Photovoltaikanlage mit 10 kWp Leistung
- Verwendete Fläche = 50 Quadratmeter
- Spezifischer Photovoltaik-Ertrag = 1000 kWh/kWp
Enutz = 10 kWp × 1.000 kWh/kWp = 10.000 kWh
Eauf = 1.227 kWh/m² × 50 m² = 61.350 kWh
Eta = 10.000 kWh / 61.350 kWh = 0,16 = 16 % Photovoltaik-Wirkungsgrad
Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage?
Es gibt viele Einflussfaktoren auf die Effizienz einer Photovoltaikanlage. Zuallererst ist die Wahl der Photovoltaik-Komponenten entscheidend.
Je höher der Wirkungsgrad und die Leistung der verwendeten Solarmodule, des Wechselrichters und Stromspeichers ist, desto höher auch der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Komplettanlage.
Entscheidend für die Höhe der nutzbaren Energie bzw. des spezifischen Jahresertrages sind die Ausrichtung der Photovoltaikanlage, der Neigungswinkel der PV-Module und die Höhe der Verschattungs- und Verschmutzungsverluste.
Mehr dazu im Ratgeber über die Voraussetzungen für eine PV-Anlage.