Was du über den Wirkungsgrad von Solarzellen wissen musst: Fakten & Zahlen

Der Wirkungsgrad von Solarzellen entscheidet über die Menge Energie und die Leistung, die eine Solaranlage erbringt. Bei der Photovoltaik entscheiden jedoch einige weitere Faktoren über den erzeugten Solarstrom. Aktuelle Zahlen, Fakten und Tipps zum Kauf einer PV-Anlage.

Nicht jede Photovoltaikanlage erzielt den gleichen Wirkungsgrad. Je nach Herstellung der Solarzellen und Grösse der Solarmodule fällt der Wirkungsgrad deutlich höher aus. Was oft vergessen wird: Auch der Wechselrichter spielt beim Wirkungsgrad von Photovoltaik eine Rolle.

Wie hoch die Leistung einer Photovoltaikanlage ist, hängt zudem nicht nur vom Wirkungsgrad ab, sondern auch von der Ausrichtung und der Neigung der Solarmodule. Last but not least spielen auch Verschattung und Verunreinigung des Materials für die Module bei der Leistung eine Rolle. 

Was ist der Photovoltaik-Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad von Solarzellen sagt aus, wie viel der nutzbaren Energie durch die Sonneneinstrahlung tatsächlich in Strom umgewandelt wird, den wir dann für die Beleuchtung, den Fernseher oder den Backofen verwenden. Der Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage liegt jeweils etwas tiefer, da bei der Verkabelung und dem Wechselrichter Energieverluste entstehen. In der Photovoltaik hört man zwar ständig von Rekorden beim Wirkungsgrad von Solarzellen. Doch diese neuen Rekorde entstehen im Labor und nicht unter Alltagsbedingungen.

Die Formel für den Wirkungsgrad bei der Photovoltaik: Strahlungsenergie der Sonne geteilt durch die abgegebene Energie der Solarzellen gleich Wirkungsgrad in Prozent. 

Wirkungsgrad verschiedener Solarzellen

Je nach Herstellungsart und Material ändert sich der jeweilige Wirkungsgrad von Solarzellen. Dieser Wert fällt im Vergleich mit der gesamten Photovoltaikanlage stets höher aus, da bei der Umwandlung des Stroms durch den Wechselrichter zusätzlich Energie verloren geht. Wie hoch die Preise für Solaranlagen sind, hängt natürlich auch vom Wirkungsgrad respektive der Herstellung ab. 

Monokristalline Solarzellen erzeugen unter optimalen Bedingungen einen Wirkungsgrad von 20 bis 30 Prozent. Solarzellen aus polykristallinem Silizium kommen auf 15 bis 20 Prozent, Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium 3 bis 7,5 Prozent und Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) 11 bis 15 Prozent Wirkungsgrad.

Das verwendete Material entscheidet letztlich über den Energieertrag. So erzeugt ein Quadratmeter kristalliner Module 140 bis 170 Kilowattstunden Strom pro Jahr. Ein Panel mit Dünnschicht-Solarzellen produziert unter optimalen Bedingungen zwischen 70 und 90 Kilowattstunden Strom. Sie punkten trotz geringeren Stromertrags durch einen günstigen Anschaffungspreis.

Heute kann eine Solaranlage mit rund 21 Quadratmeter Modulfläche einen durchschnittlichen Schweizer Haushalt mit ausreichend Strom versorgen. Um bei Photovoltaik den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, brauchen die Solarmodule eine optimale Ausrichtung sowie die optimale Neigung. Ein Flachdach ist deshalb von Vorteil, weil die Solarmodule flexibel aufgestellt werden können und so die maximale Leistung erzielen. 

Material und Herstellung bestimmt Wirkungsgrad

In der Photovoltaik sind kristalline Solarzellen der momentane Marktführer. Rund 80 Prozent der verkauften Panels bestehen aus mono- und polykristallinem Silizium. 

Monokristalline Silizium-Solarzellen bestehen aus einem grossen Kristall. Die energieaufwändige Herstellung und die lange Produktionszeit verteuern letztlich die Module. Verbraucher erkennen sie an ihrer einheitlichen, tiefblauen Färbung.

Kostengünstiger sind hingegen polykristalline Solarzellen. Sie bestehen aus vielen kleinen Kristallen, die zusammengesetzt werden. Fällt Licht auf ihre Oberfläche, sieht man einzelne Kristallstrukturen. Der Wirkungsgrad ist reduziert, weil an den Grenzflächen der vielen Kristalle Stromverluste entstehen.

Für Dünnschicht-Solarzellen wird Silizium auf Glas oder Substratmaterial aufgedampft. Dadurch sind sie hauchdünn, sogar dünner als ein menschliches Haar. Obwohl die Produktionskosten deutlich gering ausfallen, enttäuschen die Solarmodule wegen ihres niedrigen Wirkungsgrades und der vergleichsweise kurzen Lebensdauer. 

Bei den CIGS-Solarmodulen werden Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid kombiniert. 

Die Qualität der Solaranlage wird über den Wirkungsgrad und über die Lebensdauer definiert. Foto: TEMISTOCLE LUCARELLI / iStock / Thinkstock

An der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) erreichten Dünnschicht-Solarzellen einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad von 18,7 Prozent. Dieser Wert nähert sich nahezu der Effizienz der marktführenden Solarzellen. Diese Errungenschaft könnte den Weg für günstigen Solarstrom ebnen. Weitere Vorteile liegen auf der Hand, denn Transport und Installation sind mit leichteren Modulen einfacher zu bewerkstelligen. Ferner wären damit auch Dächer erschliessbar, die zuvor keine Photovoltaikanlage aus statischen Gründen tragen konnten. Die große Biegsamkeit der Dünnschicht-Solarzelle ermöglicht darüber hinaus neue Einsatzgebiete, wie zum Beispiel die Anbringung auf Runddächern oder auf Textilien.

In Sachen erneuerbare Energie ist es noch Zukunftsmusik, doch Forscher erwarten in den nächsten Jahren die Entwicklung von Solarzellen, die einen Wirkungsgrad von 50 Prozent haben. Damit käme die Schweiz ihrem Ziel von 12 Milliarden Kilowattstunden Solarstrom im Jahre 2025 ein Riesenschritt näher.

Worauf sollten Verbraucherinnen und Verbraucher bei Solarzellen achten?

Derzeit bietet sich für Eigenheimbesitzer der Einsatz von monokristallinen Solarzellen an, da ihnen nur eine begrenzte Dachfläche bereitsteht und diese Solarzellen den besten Wirkungsgrad haben. Wenige Quadratmeter reichen, damit die tiefblauen Solarmodule ausreichend Strom liefern. Doch neben dem hohen Wirkungsgrad zählt auch die Lebensdauer, die mindestens 20 Jahren beträgt. Deshalb sollten Verbraucherinnen und Verbraucher stets auf Qualität achten, bestärkt Professor Baumgartner von dem Institut für Energie der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften.

Solarzellen machen trotz fallender Kosten immerhin zwei Drittel des Gesamtpreises aus. Treten Mängel oder Schäden in der Kunststoffschicht auf, dann verkürzen sie unweigerlich die angesetzte Lebensdauer. Jedoch sind qualitätsmindernde Herstellerschädigungen oder Verunreinigung von Staub beim Kauf kaum festzustellen. Deshalb ist es ratsam, sich zuvor über die AGB des Modulherstellers und dessen Umgang mit Haftungsfragen zu informieren. Nicht immer sind teure monokristalline Panels die beste Wahl. Wer über eine grosse Freifläche verfügt, hat die Möglichkeit, preisgünstigere Module mit Dünnschicht-Solarzellen aufzustellen. Vor dem Kauf sollten sich Verbraucher in jedem Fall bei einer Solar-Expertin oder einem -Experten informieren.

Weitere Informationen zu Wirkungsgrad und Photovoltaik:

•  Swissolar bietet neutrale Energieinformationen in der Schweiz.
•  TÜV Rheinland führt nach internationalen Standards zertifizierte Solarmodule auf.
• Der Verein Solarspar ist eine gute Anlaufstelle für Fragen rund um Solarenergie und Photovoltaik.