Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

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Photovoltaik ist derzeit in aller Munde. Kein Wunder. Denn die PV-Anlage gilt als privater Beitrag zur Energiewende und wird in einigen Teilen Deutschlands bereits gesetzlich bei Neubau oder Sanierung von Gebäuden gefordert. Eine wichtige Kenngröße bei der Diskussion um die Sinnhaftigkeit und die Auswahl geeigneter System sind die Wirkungsgrade einer jeden einzelnen Solarzelle. Aber was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle überhaupt? Und warum ist gerade dieser Wert so wichtig, wenn es um die Betrachtung dieser stromerzeugenden Systeme geht? Hier erfahren Sie mehr.

Was versteht man unter dem Wirkungsgrad einer Solaranlage?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt das Verhältnis von Energie, die in das System eingeht, zu der Energie, die das System verlässt. Und das sowohl für eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung, in Fachsprache Solarthermie, als auch die sonnenlichtbasierte Stromerzeugung, bekannt als Photovoltaikanlage (PV-Anlage). Konkret beschreibt der Wirkungsgrad von Photovoltaik damit das Verhältnis von eingehender Sonnenenergie in Form von Lichtstrahlung zu ausgehendem elektrischem Strom. Dieser Wert ist deshalb so aussagekräftig, weil er völlig losgelöst von der Größe der installierten Anlage eine klare Auskunft über deren Leistungsfähigkeit gibt. Ausgedrückt wird er in Prozent und kann logischerweise nie über 100 Prozent steigen. Ein Wert über diesem Maximum würde bedeuten, dass die Anlage mehr Energie liefert, also von der Sonne eingespeist wird, und wäre demnach die Lösung all unserer Energieprobleme – leider eine physikalisch unmögliche Lösung. Aktuell reden wir allerdings ohnehin noch von Wirkungsgraden der Solarzelle zwischen 17 bis maximal 25 %.

Welche Faktoren tragen zum Wirkungsgrad von Photovoltaik bei?

Die Wirksamkeit einer PV-Anlage ergibt sich nicht aus einem einzelnen Aspekt heraus. Stattdessen tragen verschiedene Faktoren dazu bei, was die Kollektoren leisten können. Da Photovoltaik ein technischer Prozess ist, der äußere Einflüsse für seine Wirksamkeit benötigt, finden sich die einzelnen Kenngrößen des Wirkungsgrads sowohl in der Anlage selbst, als auch in äußeren, situativen Gegebenheiten wieder. Das bedeutet, dass die mögliche Leistungsfähigkeit der Solarzelle nicht unbedingt etwas über Ihren Wirkungsgrad vor Ort aussagt.

Der Wirkungsgrad der Solarmodule

An erster Stelle bei der Bewertung von Photovoltaik steht selbstverständlich die Leistungsfähigkeit der Kollektoren selbst. Jede Photovoltaikanlage ist aus Solarzellen aufgebaut. Je nach Bauweise sind die einzelnen Zellen in der Lage, einen gewissen Anteil des eingehenden Sonnenlichts in Elektrizität umzuwandeln. Die übrige Energie geht bei der Umwandlung der Energieform verloren. Um diese Leistungsfähigkeit in vergleichbare Zahlen fassen zu können, existieren klare Parameter zum eingehenden Sonnenlicht. An Stelle beliebiger Umgebungsbedingungen werden Laborbedingungen geschaffen, unter denen jede Solaranlage ihre Wirksamkeit beweisen muss. Diese Werte ergeben dann vergleichbare Kenngrößen für jede einzelne Zelle und damit auch für die gesamten Anlagen eines bestimmten Typs. Da zu diesem Zeitpunkt der Gesamtbetrachtung nur die technischen Komponenten selbst berücksichtigt werden, lassen sich zwar Systeme vergleichen. Es lässt sich aber noch keine Aussage zum Wirkungsgrad von Solarzellen im praktischen Einsatz treffen, da genau die Faktoren unberücksichtigt bleiben, die in der Praxis ebenfalls großen Einfluss nehmen.

Ausrichtung und Neigung der PV-Anlage

Ein gewichtiger, weil nach der Errichtung unveränderlicher Faktor hinsichtlich Wirksamkeit der Sonnenkollektoren ist ihre Ausrichtung. Je mehr Sonnenlicht möglichst senkrecht auf die Solarzellen einer Photovoltaikanlage trifft, umso mehr Licht kann durch die Solarmodule in Strom umgewandelt werden. Hintergrund ist die dann möglichst geringe Reflektion etwaiger schräg auftreffender Strahlen. Im Jahresmittel ist die größte senkrechte Strahlungsmenge zu erwarten, wenn die Kollektoren direkt nach Süden und mit einer Neigung von rund 30 bis 35 Grad Neigung aufgestellt sind. Die Ausrichtung nach Süden wird heute allerdings nicht mehr als einzige optimale Lösung gesehen. Ost-West-Ausrichtungen können durch gleichmäßigere Tagesverteilung für manche Verbrauchsprofile sogar vorteilhafter sein. Vor allem Balkonkraftwerke, deren Strom unmittelbar verbraucht werden muss, profitieren von passendem Standort plus Ausrichtung enorm.

Wie das den Wirkungsgrad der Solarpaneele beeinflusst, muss jeder bei sich selbst herausfinden. Dies hängt zuletzt auch mit dem eigenen Stromverbrauch zusammen. So lauten aktuelle Empfehlungen für einen idealen Wirkungsgrad Ihrer Solarmodule für Sie persönlich:

• Bei hohem Stromverbrauch am Vormittag: Ausrichtung nach Osten (ca. 90°), Neigung 30-40°
• Bei hohem Verbrauch am Nachmittag: Ausrichtung nach Westen (ca. 270°), Neigung 30-40°
• Bei gleichmäßigem Tagesverbrauch: Ost-West-Ausrichtung oder Süden (180°)

Je stärker die Photovoltaik von dieser Idealausrichtung abweicht, umso weiter sinkt der mögliche Ertrag jeder Solarzelle in diesem konkreten Einzelfall. So kann ein und dieselbe Anlage entweder sehr dicht an ihrer nominellen Leistungsobergrenze operieren, oder aber durch eine schlechte Ausrichtung und Neigung deutlich unter dem theoretisch möglichen Ertrag zurückbleiben.  Fachbetriebe erstellen und analysieren ein spezifisches Verbrauchsprofil. Dieses analysiert und simuliert verschiedene Ausrichtungsvarianten, sodass der optimale Wirkungsgrad des Solarpaneele herusspringen sollte.

Verschattungen durch andere Bauwerke oder Objekte

Nicht minder nachteilig für die PV-Anlage und den Wirkungsgrad von Solarzellen ist die Verschattung ganzer Paneele oder auch nur einzelner Zellen. Vom Baum über andere Gebäude bis hin zum filigranen Fahnenmast werden Objekte zwischen Sonne und Kollektorfläche Schatten, der die Wirkungszahl des Systems schmälert. Früher waren die Auswirkungen noch weit schlimmer, wenn einzelne beschattete Zellen aufgrund der Schaltung zum Gesamtpaneel in der Lage waren, eine ganze PV-Anlage außer Betrieb zu setzen. Heute ist diese Gefahr zwar gebannt. Aber alle nicht besonnten Flächen mindern den Ertrag. Gerade nicht berücksichtigte Bauwerke oder Bäume sind in der Lage, den Ertrag ganzjährig zu drücken und damit die theoretische Wirksamkeit der Anlage praktisch in weite Ferne rücken zu lassen. Das Problem der Verschattung einzelner Zellen ist bei modernen Modulen durch bessere Bypass-Dioden und optimierte Zellenverbindungen deutlich entschärft. Der Wirkungsgrad von Solarpaneelen steigt mit dem technischen Fortschritt stetig.

Jahreszeit und Wetter

Der Verschattung nicht unähnlich, jedoch weit universeller gelagert, sind die Auswirkungen von Wetter und Jahreszeit auf die Wirkung der Photovoltaikanlage. Je nach Jahreszeit variiert der Sonnenstand und kann dazu führen, dass bei ohnehin wenig günstiger Ausrichtung eine noch intensivere Reflexion von der Solarzelle erfolgt. Die Wirkung sinkt, da noch weniger Sonnenenergie auf den Siliziumkristallen der Kollektoren eintreffen.

Ähnlich gelagert ist der Einfluss des Wetters auf den Wirkungsgrad von Solarzellen und Photovoltaik. Zwar sind moderne Solarzellen in der Lage, auch aus dem Anteil diffuser Strahlung noch Energie zu erzeugen, die durch eine dichte Wolkendecke dringt. Trotzdem sinkt die Wirksamkeit enorm, wenn die direkte Bestrahlung gemindert ist oder gänzlich ausfällt. Die wetterbedingte Reduzierung des Wirkungsgrads kann bei dichter Wolkendecke bis zu drei Vierteln des regulären Ertrags betragen – eine enorme Reduzierung der Leistungsfähigkeit!

Lässt sich der Wirkungsgrad einer Solaranlage nachträglich verbessern?

Ist eine Photovoltaikanlage erst einmal auf dem Hausdach oder an einem anderen Standort montiert, sind Ausrichtung und Neigung als wichtige Faktoren für die Wirksamkeit fixiert. Hinzu kommt die Tatsache, dass Sonnenstand und Bewölkung nicht verändert werden können und damit zu in Sachen Sonnenstand zwar vorhersehbaren, aber dennoch unveränderlichen Einflüssen auf die Leistung der Kollektoren werden. Was bleibt, ist die Möglichkeit, Verschattungen zu eliminieren und damit die Menge der auf den Sonnenkollektoren eintreffenden Sonnenstrahlen zu maximieren. Aber auch das geht nur, sofern es sich um Bewuchs handelt, der dann auch noch durch eigenen Besitz oder eine Absprache mit den Eigentümern entfernt oder beschnitten werden kann.

Es wird deutlich, dass nach Inbetriebnahme eines Systems nur noch sehr begrenzt Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit bestehen. Idealerweise sollte man bereits in der Planungsphase Wert auf eine optimale Besonnung jeder Solarzelle und damit eine Optimierung des Wirkungsgrads Wert legen.

Fazit zum Wirkungsgrad einer Solarzelle

Aktuelle Wirkungsgrade moderner Solarzellen liegen bei Standardmodulen heute bei etwa 20-22% und bei High-End-Produkten sogar bei über 25% (Stand Dezember 2024). Die Forschung arbeitet hier aber fortlaufend an einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Wirkungsgrade von Solarpaneelen. Photovoltaik ist ein Beitrag zur Energiewende, den nahezu jeder Gebäudebesitzer leisten kann. Darüber hinaus spart eine PV-Anlage über kostenlosen Strom bares Geld. Die Einsparung ist höher, je höher die Wirksamkeit des Systems ausfällt. Bauartbedingt besitzen Solarmodule einen bestimmten Wirkungsgrad, der durch äußere Einflüsse in der Praxis nochmal verändert wird. Sind die Kollektoren erst einmal aufgebaut, lässt sich daran kaum mehr etwas ändern. Wichtiger als der Wirkungsgrad der Solarzellen sind also die Einflussfaktoren bei der Aufstellung der Solarpaneele. Wer über die Anschaffung einer eigenen Solaranlage nachdenkt, sollte sich deshalb Gedanken um einen möglichen Standort und die damit verbundenen Einflussfaktoren machen, damit der bestmögliche Wirkungsgrad aus den Solarzellen herausgeholt werden kann.