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Wirkungsgrad der Photovoltaik: Maß für die Effizienz

Das Kohlekraftwerk hat einen, ebenso Ihr Auto: Der Wirkungsgrad spielt in der Welt der Technik eine ganz zentrale Rolle. Er gibt die Menge der Energie an, die für einen Vorgang notwendig ist, um daraus die gewünschte Nutzenergie herausholen zu können. Damit ist der Wirkungsgrad ein Maß für die Effizienz eines technischen Vorgangs. Was der Wirkungsgrad speziell bei Photovoltaikanlagen bedeutet, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Inhaltsverzeichnis

  1. Wofür steht der Wirkungsgrad bei einer Photovoltaikanlage?
  2. Wirkungsgrad der Photovoltaik hängt von der Art der Solarzelle ab
  3. Weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen
  4. Der Wirkungsgrad ist bei Photovoltaik nicht alles
  5. Steigerungen des Wirkungsgrads sind möglich
Photovoltaik Wirkungsgrad: Sonne scheint auf Solarmodule auf Dach

Wofür steht der Wirkungsgrad bei einer Photovoltaikanlage?

Zur allgemeinen Orientierung: Eine Glühbirne hat einen Wirkungsgrad von gerade einmal 5%. Das bedeutet, dass von der hineingesteckten elektrischen Energie nur 5% als Licht herauskommen. Die restlichen 95% gehen in Form von Wärme verloren. Folglich ist die Glühlampe eigentlich eine Wärmequelle, die auch ein wenig Licht abstrahlt. Der Wirkungsgrad einer LED-Lampe ist ebenfalls nicht gerade hoch, erreicht aber immerhin 25%.

Bei einer Photovoltaikanlage gilt als Wirkungsgrad das Verhältnis des erzeugten Stroms zur Energie, die die Sonne auf die Fläche der Photovoltaikmodule (auch Solarmodule genannt) eingestrahlt hat. In diesem Fall ist die Sache etwas komplizierter als bei der Glühbirne, da in der Photovoltaikanlage mehrere Umwandlungsprozesse ablaufen. Somit setzt sich der Wirkungsgrad der Photovoltaik aus mehreren Teilwirkungsgraden zusammen.

Modulwirkungsgrad bei der Photovoltaik von zentraler Bedeutung

Der wichtigste Wirkungsgrad der Photovoltaik ist der der Solarzellen selbst. Hier entscheidet sich in erster Linie, wie viel Strom Sie aus Ihrer Photovoltaikanlage herausholen können. Mehrere dieser Zellen ergeben zusammen ein Solarmodul.

Praxistipp

  • Schon der Wirkungsgrad eines solchen Photovoltaikmoduls ist etwas geringer, weil…

  • es nicht produktive Bereiche an den Rändern sowie zwischen den Zellen gibt und

  • Verluste durch die Zellverschaltung auftreten.

Um die Wirkungsgrade verschiedener Photovoltaikmodule vergleichen zu können, haben sich Wissenschaftler auf ein weltweit einheitliches Messverfahren geeinigt: Sie bestrahlen die Solarzellen mit einer Lichtleistung von 1.000 Watt pro Quadratmeter. Das entspricht in etwa dem, was in Mitteleuropa während wolkenfreier Sommertage an Sonnenenergie zur Verfügung steht.

Auch die spektrale Verteilung des Lichts in grün, blau, rot, aber auch ultraviolett und infrarot ist bei diesem einheitlichen Messverfahren dem natürlichen Sonnenspektrum nachempfunden. Außerdem sind die Photovoltaikmodule bei der Messung konstant 25°C warm.

Wirkungsgrad der Photovoltaik hängt von der Art der Solarzelle ab

  • Unter diesen Bedingungen erzielen Module aus kristallinem Silizium einen Wirkungsgrad von 16 bis 22%. Kristallin bedeutet, dass alle Siliziumatome perfekt in einem Kristall angeordnet sind.
  • Die Wirkungsgrade der Solarmodule aus polykristallinem Silizium liegen bei 14 bis 20%. Polykristallin heißt, dass sich viele kleine Kristalle in dem Material befinden.
  • Module aus amorphem Silizium haben einen Wirkungsgrad von 5 bis 10%. In amorphen Solarzellen weisen die Siliziumatome keine Kristallordnung auf.
  • Neben den heute am meisten verkauften Solarmodulen aus Silizium bietet der Markt auch sogenannte Dünnschichtmodule an wie Cadmiumtellurid-Module. Sie erzielen Wirkungsgrade von bis zu 15%.
  • Auch CIGS-Module sind Dünnschichtmodule, die bis zu 16% Wirkungsgrad erreichen können. Die englischsprachige Abkürzung CIGS steht für die chemischen Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen.

Falls Sie mehr über die Funktionsweise von Solarzellen und die Definition der Photovoltaik generell erfahren möchten, hilft Ihnen unser Artikel zum Thema weiter.

Wissenschaftler haben ausgerechnet, dass der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen bei 29% liegt. Diesem Maximalwert sind Forscher schon ziemlich nahegekommen. Wollen sie noch mehr herausholen, müssen sie zu Tricks greifen:

Experimentelle aber besonders effiziente Solarzellen

  • Einer ist die sogenannte Tandemsolarzelle – zwei übereinander gestapelte Solarzellen, die unterschiedliche Anteile aus dem Lichtspektrum verwerten.

  • Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Konzentratorzellen. Hier liegt der Trick darin, dass diese Zellen das Sonnenlicht wie eine Lupe bündeln und so den Wirkungsgrad erhöhen.

Weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen

Der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls hängt nicht nur vom Material ab. Auch die Witterungsbedingungen wie Sonneneinstrahlung und Hitze, Verschmutzungen oder der Wirkungsgrad des Wechselrichters spielen eine Rolle.

Je kälter, desto besser der Wirkungsgrad

Auch die Einstrahlung der Sonne spielt eine Rolle. Im Winter müssen Sie daher aufgrund der Witterungsbedingungen mit einem anderen Wirkungsgrad rechnen als im Sommer.

Bei der Solarthermie – der Wärmegewinnung durch Solarstrahlen – sieht es ähnlich aus. Dennoch lassen sich entgegen dem intuitiven Eindruck sowohl Strom als auch Wärme im Winter gewinnen. Lesen Sie hierfür unseren Artikel zum Thema:

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Außerdem sinkt der Wirkungsgrad, wenn sich die Module der Photovoltaikanlage aufwärmen. Da der Anteil der Sonnenenergie, den die Solarzelle nicht in Strom verwandelt hat, immer in Form von Wärme zurückbleibt, lässt sich das Aufheizen nicht verhindern.

Lassen Sie die Module regelmäßig reinigen

Ein weiterer Faktor, der den Wirkungsgrad im realen Betrieb verschlechtert, ist Schmutz. Darum reinigen Spezialfirmen die Module von größeren Photovoltaikanlagen in regelmäßigen Abständen. Auch die Lebensdauer spielt eine Rolle: Eine Faustformel besagt, dass der Wirkungsgrad der meisten Module im Laufe ihrer Lebenszeit von 20 bis 25 Jahren zwischen 10 und 15% abnimmt.

Energieverluste beim Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom

Wie schon erwähnt, ist der Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule nur ein Teil des Gesamtwirkungsgrads der Solarstromanlage. Denn die Module liefern Gleichstrom, den der Wechselrichter in Wechselstrom umwandeln muss. Erst dann kann die Anlage den Solarstrom in das Stromnetz einspeisen.

Wechselrichter sind heute ausgereift und erzielen Wirkungsgrade zwischen 93 und 98%. Auch beim Speichern und Wiederabrufen des Sonnenstroms in einem Solarspeicher treten Energieverluste auf. Andere Faktoren wie die Leitungsverluste durch den elektrischen Widerstand der Kabel sind gering und können folglich vernachlässigt werden.

Beispiel zum Errechnen des Wirkungsgrads einer PV-Anlage

  • Der Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ergibt sich aus der Multiplikation der Teilwirkungsgrade.

  • Gehen wir von den folgenden Werten aus: Sie besitzen beispielsweise Photovoltaikmodule mit einem Wirkungsgrad von 18%.

  • Einen Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von 96%.

  • Und einen Batteriespeicher mit einem Wirkungsgrad von 80%

  • Der Gesamtwirkungsgrad für eine gespeicherte Kilowattstunde Solarstrom beträgt in diesem Beispiel 13,8% (0,18 x 0,96 x 0,80 = 0,138).

Der Wirkungsgrad ist bei Photovoltaik nicht alles

Je höher der Wirkungsgrad Ihrer Anlage ausfällt, desto mehr Solarstrom gewinnen Sie aus der Sonne. Daher spielt der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle bei der Auswahl der Komponenten einer Photovoltaikanlage. Das gilt ganz besonders, wenn der Platz auf dem Dach limitiert ist und Sie diesen effizient nutzen wollen.

Zudem besteht bei hochwertigen Modulen und Wechselrichtern mit hohen Wirkungsgraden eine gute Chance, dass diese auch besonders lange halten. Denn letztlich entscheidet nicht der Wirkungsgrad darüber, ob sich eine Photovoltaikanlage lohnt, sondern der Preis für die Anschaffung, die Kosten für die Wartung und nicht zuletzt die Lebensdauer der Anlage. Schließlich nützt ein hoher Wirkungsgrad wenig, wenn die Solaranlage nach wenigen Jahren ausfällt.

Steigerungen des Wirkungsgrads sind möglich

Die Photovoltaik-Industrie hat über die vergangenen Jahrzehnte die Wirkungsgrade, insbesondere die der Photovoltaikmodule, ständig verbessern können. Aufwendige Hochleistungs-Solarzellen wie Konzentrator- und Tandemsolarzellen werden sich aufgrund der hohen Kosten wahrscheinlich nicht auf dem Massenmarkt durchsetzen.

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Doch die Forschung hört nicht auf: Ein Beispiel für Innovationen sind farbige Kunststofffolien mit eingebetteten kleinen Hochleistungs-Solarzellen. Die Folie sammelt das Licht und leitet es an die Solarzellen weiter. Mit einem solchen Aufbau kann ein Modul bei überschaubaren Kosten einen Wirkungsgrad von mehr als 40% erreichen.

Es wird allerdings noch dauern, bis Konzepte dieser Art den Weg aus dem Labor finden und eine Produktion im großen Stil erfolgt. Auch mit sogenannten Perowskit-Solarzellen aus einem speziellen Mineral scheinen Rekord-Wirkungsgrade möglich zu sein. Doch bisher ist es keinem Forschungsteam gelungen, marktreife Solarzellen dieses Typs in Serie zu fertigen.

Sollten Sie daher über die Nutzung von Solarstrom für Ihr Zuhause nachdenken, nehmen Sie am besten Kontakt mit einem Haustechnikbetrieb auf. Er kann mit Ihnen das Thema Photovoltaik und die verschiedenen Wirkungsgrade detailliert beleuchten und die für Sie optimale Lösung finden.

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Dr. Jens-Peter Meyer

Über den Autor

Dr. Jens-Peter Meyer schreibt freiberuflich seit dem Jahr 2000 über Heizungsthemen. Sein journalistischer Schwerpunkt liegt auf erneuerbaren Energien in der Wärmetechnik – speziell in Solarwärmesysteme, Wärmepumpen und Holzheizungen.

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