Solarzellen: Verbesserter Wirkungsgrad bringt mehr Strom

Wer wandelt mehr Energie um, ein Blatt oder eine Solarzelle? Monokristalline Solarzellen haben einen zehnfach höheren Wirkungsgrad als Pflanzen. Doch wie wirkt sich der Photovoltaik-Wirkungsgrad auf den Ertrag von Solarstrom aus?

Der Wirkungsgrad verdeutlicht, wieviel Energie gewonnen wird.
Der Wirkungsgrad bestimmt, wieviel elektrische Energie aus dem Sonnenlicht gewonnen werden kann. Foto: JohnnyH5 / iStock / Thinkstock
  • 2

Solarzellen nutzen das Sonnenlicht besser als Pflanzen. Sie liefern ein zehnfaches mehr an Energie als ihre natürlichen Vorbilder, berichten Wissenschaftler im Fachmagazin «Science». Denn Solarzellen powern auch bei starkem Lichteinfall. Photovoltaik komme nach Abzug aller Energieverluste in der Anlage auf einen Wirkungsgrad von zehn bis elf Prozent. Somit arbeiten Solarzellen zehnmal effizienter als ihre natürlichen Vorbilder, die einen Wirkungsgrad von weniger als einen Prozent aufweisen. Doch warum ist der Wirkungsgrad so wichtig?

Was ist der Photovoltaik-Wirkungsgrad?

Die Solarzelle besteht aus Silizium-Halbleitern. Der Wirkungsgrad verdeutlicht, wie viel Sonnenlicht in elektrischen Gleichstrom umgewandelt wird. Die häufig eingesetzten monokristallinen Solarzellen erreichen in der Praxis einen Wirkungsgrad von bis zu 19,5 Prozent. Polykristalline Zellen pegeln sich bei maximal 16 Prozent ein. In den letzten Jahren stieg der Wirkungsgrad durch technische Verbesserungen allmählich an. So können heute rund 21 Quadratmeter Modulfläche einen durchschnittlichen Schweizer Haushalt mit ausreichend Strom versorgen.

Material bestimmt Wirkungsgrad von Solarzellen

Kristalline Solarzellen sind der momentane Marktführer. Rund 80 Prozent der verkauften Panels bestehen aus mono- und polykristallinem Silizium. Aus einem Block des hochreinen Halbmetalls werden die Halbleiter in dünne «Wafer» gesägt. Die energieaufwändige Herstellung und die lange Produktionszeit verteuern letztlich die Module. Verbraucher erkennen sie an ihrer einheitlichen, tiefblauen Färbung. Kostengünstiger sind hingegen polykristalline Solarzellen. Fällt Licht auf ihre Oberfläche, sieht man einzelne Kristallstrukturen. Der Wirkungsgrad ist reduziert, weil sich durch die Verarbeitungsmethode Verunreinigungen ablagern. Für Dünnschicht-Solarzellen wird Silizium auf Glas oder Substratmaterial aufgedampft. Dadurch sind sie hauchdünn, sogar dünner als ein menschliches Haar. Obwohl die Produktionskosten gering ausfallen, enttäuschen sie wegen ihres niedrigen Wirkungsgrades und der vergleichsweise kurzen Lebensdauer.

Überblick von Wirkungsgraden verschiedener Solarzellen-Materialien

Je nach Material ändert sich auch der jeweilige Wirkungsgrad von Solarzellen. Dieser Wert fällt im Vergleich mit der gesamten Photovoltaikanlage stets höher aus, da bei der Umwandlung zusätzlich Energie verloren geht. Deshalb bestimmt Häberlein für kommerziell erhältliche Module den speziellen Wirkungsgrad: Monokristalline Solarzellen erzeugen unter optimalen Bedingungen elf bis 19,5 Prozent, polykristallines Silizium zehn bis 16 Prozent, Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium drei bis 7,5 Prozent und Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) 7,5 bis elf Prozent Solarstrom. Das verwendete Material entscheidet letztlich über den Energieertrag. So erzeugt ein Quadratmeter kristalliner Module 140 bis 170 Kilowattstunden im Jahr. Ein Panel mit Dünnschicht-Solarzellen produziert unter optimalen Bedingungen zwischen 70 und 90 Kilowattstunden. Sie punkten trotz geringeren Stromertrags durch einen günstigen Anschaffungspreis.