Photovoltaik Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel der zur Verfügung stehenden Energie von der Photovoltaik Zelle, dem Modul oder der Anlage in Solarstrom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad ist bei den verschiedenen Solarzellen höchst unterschiedlich. Daher richtet sich auch der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage nach der gewählten Modulart, wobei in den Wirkungsgrad der gesamten Anlage außerdem noch die Verluste durch Verkabelung und Wechselrichter einfließen.

Bestimmende Faktoren für den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad der Photovoltaik Module beeinflusst den Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage erheblich, aber auch der Wechselrichter hat entscheidenden Einfluss. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist immer mit Verlusten verbunden. Wenngleich dieser Verlust nur wenige Prozent beträgt, kann er während der Lebensdauer einer Photovoltaikanlage beträchtliche finanzielle Einbußen zur Folge haben. Eine Anlage mit einer Nennleistung von fünf Kilowatt erzeugt unter deutschen Wetterbedingungen im Normalfall rund 5.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr, in 25 Jahren also 125.000 Kilowattstunden. Vier Prozent Verlust am Wechselrichter entsprechen also 5.000 Kilowattstunden, was in etwa dem durchschnittlichen Jahresverbrauch einer vierköpfigen Familie entspricht. Relativ gering sind dagegen die in den elektrischen Leitungen auftretenden Verluste. Das gilt allerdings nur dann, wenn zwei wichtige Grundregeln beachtet werden. Erstens dürfen die vom Hersteller der PV-Anlage vorgegebenen Leitungsquerschnitte nicht unterschritten werden, weil zu dünne Kabel hohe Verluste verursachen. Zweitens sollte der Wechselrichter nah am Einspeisepunkt stehen, weil die Leitungsverluste auf der Wechselstromseite deutlich größer sind als auf der Gleichstromseite.

Berechnung des Wirkungsgrads

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird bestimmt durch die Division der Strahlungsenergie durch die abgegebene Energie. Dieser Quotient (dargestellt mit dem griechischen Zeichen eta) gibt in Prozent den Wirkungsgrad an. In der Photovoltaik werden zwar immer neue Rekorde im Wirkungsgrad von Solarzellen erreicht, meist handelt es sich dabei aber um im Labor erzielte Werte. Bei den in Serie produzierten Solarzellen ergeben sich deutlich niedrigere Wirkungsgrade. Immer wird der Wirkungsgrad unter den Standard Test Conditions ermittelt: 1000 Watt Einstrahlung, 25 Grad Zelltemperatur und einer Air Mass von 1,5.

Wirkungsgrade unterschiedlicher Modultypen im Vergleich

Die beiden wichtigsten Modultypen sind nach wie vor Photovoltaik Module aus monokristallinem und polykristallinem Silizium. Die besten monokristalline Module erreichen inzwischen Wirkungsgrade zwischen 20 und 22 Prozent, während polykristalline Solarmodule etwa 15 bis 20 Prozent erreichen. Den Vorteilen der monokristallinen Module stehen als Nachteil der hohe Energie- und Kostenaufwand für die Züchtung der benötigten großen Siliziumkristalle gegenüber. Eine Alternative bilden die noch recht neuen quasi-monokristallinen Module. Dabei handelt es sich um polykristalline Module, die aufgrund einer speziellen Steuerung während des Kristallwachstums ähnliche Eigenschaften aufweisen wie monokristalline Module. Neben diesen drei Modultypen werden mehrere Varianten so genannter Dünnschichtmodule angeboten. Die einfachste Form dieser Module nutzt dünne aufgedampfte Schichten aus amorphem Silizium. Diese Photovoltaik Module sind besonders einfach und preiswert herzustellen, weisen aber Wirkungsgrade von weniger als zehn Prozent auf. Inzwischen werden auch andere Materialien als Silizium zur Herstellung von Dünnschichtmodulen genutzt. Die so genannten CIGS-Module nutzen eine Kombination aus Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid und erreichen in Massenherstellung heute einen Wirkungsgrad von fast 15 Prozent.

Überblick

Zelltyp Wirkungsgrad
monokristallin 20 - 22 %
polykristallin 15 - 20 %
amorphes Silizium 8 %
CIS-Zellen 12 %
GaAS-Zellen 25 %
Farbstoffzellen 2 – 3 %

Der maximale Modulwirkungsgrad

Jede Substanz kann nur bestimmte Wellenlängen des Lichts verarbeiten, darüber hinaus ist auch für diesen Anteil des Spektrums keine vollständige Umwandlung der Lichtenergie in Strom möglich. Für monokristalline Siliziummodule ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad dadurch auf 29 bis 33 Prozent beschränkt – der genaue Wert hängt von der Einstrahlungsintensität ab. Lange wurde dieser Wert ein wenig vereinfachend als maximal möglicher Wirkungsgrad von Solarmodulen bezeichnet. Inzwischen ist diese vermeintliche Obergrenze durch so genannte Tandem-Solarzellen aber längst durchbrochen worden. Diese basieren auf einem einfachen Prinzip: Diejenigen Anteile des Lichtspektrums, die ein Material nicht umwandeln kann, passieren es ungehindert. Deswegen ist es möglich, einfach verschiedene Materialien für verschiedene Teile des Lichtspektrums übereinander zu stapeln. In der Praxis wurden so schon Wirkungsgrade von weit über 40 Prozent erzielt, denkbar erscheinen heute auch deutlich mehr als 80 Prozent.

Wirkungsgrad des Wechselrichters

Bis heute existiert keine eindeutige Definition des Wirkungsgrades eines Wechselrichters. Dies liegt daran, dass der tatsächliche Wirkungsgrad davon abhängt, welche Leistung auf der Gleichstromseite von den Modulen geliefert wird. In Tests wird der Wirkungsgrad daher für zahlreiche unterschiedliche Eingangsleistungen gemessen, die zwischen 5 und 100 Prozent der Maximalleistung liegen. Aber selbst wenn Einigkeit über die Auswahl der Messpunkte besteht, herrscht noch Uneinigkeit darüber, wie die einzelnen Werte bei der Berechnung des durchschnittlichen Wirkungsgrads gewichtet werden sollen. Einerseits ist zu berücksichtigen, wie oft die jeweiligen Wetterverhältnisse mit der entsprechenden Einstrahlung auftreten. Deswegen wird beim so genannten europäischen Wirkungsgrad eine andere Gewichtung vorgenommen als beim kalifornischen Wirkungsgrad. Andererseits ist aber auch zu berücksichtigen, dass sich prozentuale Verluste bei höherer Leistung in absoluten Zahlen stärker auswirken. Glücklicherweise differieren die einzelnen Berechnungsmethoden nicht zu stark, weswegen unabhängig von der konkreten Methode eine grobe Klassifizierung vorgenommen werden kann: Wirkungsgrade von über 97 Prozent sind sehr gut, weniger als 92 Prozent sind sehr schlecht. Diese Werte beziehen sich auf die in Tests tatsächlich erreichten Wirkungsgrade und nicht auf die von den Herstellern angegebenen Höchstwirkungsgrade!

Fazit: Das Kosten-Nutzen-Verhältnis entscheidet

Ein hoher Gesamtwirkungsgrad erfordert höhere Investitionen in die Photovoltaik Module und den Wechselrichter. Da eine Photovoltaikanlage keine ständigen Brennstoffkosten und keine Schadstoffemissionen verursacht, ist ein geringerer Wirkungsgrad vollkommen akzeptabel, solange die Kosten pro Kilowattstunde dadurch niedriger sind.