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.

Berechnung

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.

Begrenzung des theoretisch maximalen Wirkungsgrades

Für Solarzellen ergibt sich aus den genutzten Materialien eine physikalische Begrenzung des maximal erzielbaren Wirkungsgrades. Dies gilt für alle Energiewandler. Bei einer Solarzelle wird er durch die Bandlücke des verwendeten Werkstoffs begrenzt, da nicht alle Photonen absorbiert werden. Bei einem Halbleiter, der über eine feste Bandlücke verfügt, liegt daher der theoretisch maximale Wirkungsgrad bei circa 33 %. Es werden aber zunehmend auch Multibandsysteme, wie sie in Tandemzellen umgesetzt werden, untersucht. Theoretisch könnte hier der Wirkungsgrad auf über 80 % gesteigert werden.

Wirkungsgrade im Vergleich

Der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen mit monokristallinen Solarzellen entwickelt sich immer weiter. Serienprodukte erreichen heute rund 20 %. Der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen ist niedriger, mit Serienprodukten werden rund 16 % erzielt. Hier sind die Wirkungsgrade ganz unterschiedlich, je nachdem, welcher Werkstoff genutzt wird. Amorphe Silizium-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von rund 8 %. Der Wirkungsgrad von CIS-Zellen liegt bei circa 12 %. Den höchsten Wirkungsgrad (auch theoretisch) erreichen die in der Raumfahrt eingesetzten Galliumarsenid-Zellen (GaAs) mit 25 %. Diese Wirkungsgrade von Dünnschichtzellen sind die stabilen Wirkungsgrade, die nach der systemimmanenten hohen Anfangsdegradation erzielt werden.

Überblick

Zelltyp Wirkungsgrad
monokristallin 20 %
polykristallin 16 %
amorphes Silizium 8 %
CIS-Zellen 12 %
GaAS-Zellen 25 %
Farbstoffzellen 2 – 3 %