Wirkungsgrad einer Solarzelle – so wird er beeinflusst.

SOLARZELLEN – LEISTUNG UND WIRKUNGSGRAD.

Letztlich geht es beim Vergleich und bei der Auswahl einer PV-Anlage um den Ertrag, der erzielt werden kann. Die Leistungsfähigkeit einer Anlage – also die Leistung, die die Module theoretisch erbringen können – wird in Watt Peak angegeben und bezeichnet die Spitzenleistung oder auch Nennleistung unter idealen Bedingungen. Eine entscheidende Größe ist aber auch der Wirkungsgrad der PV-Module.

Was sagt der sogenannte Wirkungsgrad aus?

Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von aufgewendeter und nutzbarer Energie wieder. Je höher sein Wert, desto effizienter kann Energie verwendet werden. Sein Einheitenzeichen ist das Eta: η. Auf Solarmodule angewendet ist der Wirkungsgrad also ein Gradmesser dafür, wie viel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Solarmodule mit einem hohen Wirkungsgrad sind also besonders leistungsstark.

Welchen Wirkungsgrad haben Solarzellen?

Nach dem aktuellen Stand der Technik liegt der Wirkungsgrad von Solarzellen bei etwa 5 bis 27 % – in der Theorie können sogar bis zu 41 % erreicht werden. Dass diese Angaben relativ weit auseinanderliegen, liegt an mehreren Faktoren, die wir Ihnen hier erklären möchten:

1. Die Art der Photovoltaikanlage.

Für Photovoltaikzellen gibt es verschiedene Herstellungstechniken und Materialien. Im Laufe der Jahre haben sich die Fertigungsprozesse immer weiter verbessert, weshalb auch die Wirkungsgrade der Solaranlagen gestiegen sind – und noch weiter steigen werden. Die gängigsten Modularten oder Zelltypen in Photovoltaikanlagen sind:

Polykristalline Module.

Für diese Modulart wird Silizium eingeschmolzen und in Blöcke gegossen, die dann in schmale Scheiben geschnitten werden. Natürliche Verunreinigungen führen dazu, dass der Wirkungsgrad etwas geringer ist als bei der monokristallinen Ausführung. Dafür bieten die poykristallinen Siliziumzellen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und kommen auf Wirkungsgrade von etwa 14 bis 20 %.

Monokristalline Module.

Die Herstellung dieser Modulart ist etwas aufwendiger, denn hier besteht der Silizium-Gußblock aus reinem Monokristall, dessen Atome und Moleküle ein einheitlich homogenes Kristallgitter bilden. Das führt zu höheren Wirkungsgraden zwischen 16 und 22 %. Die Module sind entsprechend etwas teurer.

Dünnschichtsolarzellen.

Für die Zellen wird zumeist amorphes Silizium verwendet – das heißt, dass das Silizium keine kristalline Form aufweist. Es wird hauchdünn auf Trägermodule aufgedampft, die meist aus Glas oder Folie bestehen. Dünnschichtmodule oder auch Dünnschichtzeller sind leicht, flexibel und günstig. Der Wirkungsgrad liegt allerdings bei nur rund 10 bis 12 %.

CIGS-Solarzellen.

Die Abkürzung CIGS leitet sich von der Zusammensetzung dieser Solarzellenart ab, die aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid besteht und ebenfalls dünnschichtig genutzt werden kann. CIGS-Module kommen auf einen Wirkungsgrad von etwa 12 bis 14 %.

2. Umgebungstemperatur.

Wer hätte das gedacht: Je höher die Temperaturen, desto mehr nimmt der Wirkungsgrad von Solarzellen ab – und zwar pro Grad Temperaturanstieg durchschnittlich um etwa 0,4 %. So kann es vorkommen, dass die erzeugte Leistung an einem sonnigen Frühlingstag höher liegt als an einem heißen Tag im Sommer.

3. Witterungsverhältnisse.

Auch dieser Fakt erstaunt: Wolken können die Energieausbeute der Solarzellen fördern. Denn die weißen Himmelsgebilde sind imstande, das Licht zusätzlich zu streuen und es mit veränderten Eintreffwinkeln in Richtung Solarzelle zu schicken. Der Wirkungsgrad erhöht sich. Ist es hingegen dicht bewölkt, verringert sich die Strahlung deutlich und der Wirkungsgrad wird kleiner.

4. Das Alter.

Wie so ziemlich alles auf dieser Welt hat auch eine Solarzelle nur eine begrenzte Lebensdauer und mit zunehmendem Alter sinkt der Wirkungsgrad und damit auch die Solarzellen-Leistung. Man spricht von Degradation. Dieses Alterungsverhalten liegt bei ca. 10 % in 25 Jahren. Einige Hersteller geben Garantien, dass ihre Anlagen nach 20 Jahren noch immer eine Peak-Leistung von 80 % aufweisen.

5. Peripherie.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle entspricht nicht dem Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage. Der Grund: Auch der eingesetzte Wechselrichter und selbst die verlegten Kabel haben ihren eigenen Wirkungsgrad. Deshalb ist es normal, dass eine Solarzelle zum Beispiel einen Wirkungsgrad von 20 % aufweist, während es die ganze Anlage auf nur 17 % schafft. Die besten Wirkungsgrade der Solarmodule nützen also nichts, wenn dann der Wechselrichter einen schlechten Wirkungsgrad aufweist.

Wie kann man den Wirkungsgrad einer Solarzelle berechnen?

Wie weiter oben erwähnt, ist der Wirkungsgrad η das Verhältnis zwischen der eingehenden Leistung (in Form von Sonnenstrahlung) und der ausgehenden Leistung (in Form von elektrischer Energie). Die Formel lautet:

Wovon ist die Solarzellen-Leistung außerdem abhängig?

Der Wirkungsgrad von Solarenergie oder die Gesamtleistung einer PV-Anlage hängt vor allem auch von ihrer Fläche ab. Ein entscheidendes Kriterium zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ist somit auch die Größe der schattenfreien Dachfläche. Ebenfalls eine Rolle für die zu erwartenden Erträge spielt die Dachneigung – 30 Grad sind optimal – sowie die Dachausrichtung – optimalerweise liegt diese zwischen Südost und Südwest. Aber auch Flachdächer eignen sich für Photovoltaik.

Aber auch wenn alles stimmt, die angegebene Spitzenleistung wird eine Photovoltaikanlage eher selten erreichen. Denn die wurde unter Laborbedingungen erzielt, um die Leistung von Solarzellen vergleichbar zu machen. Annähernd erreicht wird die angegebene Spitzenleistung nur an komplett klaren Sommertagen, also wenn 1.000 Watt Lichtleistung auf einen Quadratmeter Modulfläche fällt.

Wirkungsgrad η = P_elektrisch / P_Licht

Das ist natürlich alles sehr theoretisch. Wesentlich praktischer ist da unser Photovoltaikrechner.

Solarzellen-Leistung und Wirkungsgrad von Solarenergie: Von der Theorie zur Praxis.

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