Wirkungsgrade von Photovoltaik und Solarzellen
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent der auf die Zelle fallende Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad ein Photovoltaikanlage berücksichtigt zudem Verluste, die bei der technischen Nutzung des erzeugten Solarstroms anfallen. Hier spielen die Wirkungsgrade von Anlagenkomponenten wie Wechselrichter eine Rolle aber auch Leitungsverluste, die Verschmutzung der Module oder Verschattungen. Der Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage liegt also notwendigerweise immer unter dem Wirkungsgrad der einzelnen Solarmodule bzw. Solarzellen.
Wirkungsgrad der PV-Anlage
Um die tatsächliche Leistung einer PV-Anlage mit der theoretisch möglichen zu vergleichen, wurde die „Performance Ratio“ eingeführt. Dieses „Leistungsverhältnis“ ist als Quotient aus Ist-Ertrag und Soll-Ertrag definiert, entspricht somit einem aktuellen Wirkungsgrad.
Grob lässt abschätzen lässt sich der Wirkungsgrad mit folgenden Annahmen:
An der Außenhülle der Erdatmosphäre beträgt die Leistung senkrecht einfallender Sonnenstrahlen im Mittel 1.367 Watt pro Quadratmeter (W/m²), ein Wert der als Solarkonstante bezeichnet wird. Bis die Sonnenstrahlen auf der Erdoberfläche auftreffen, verringert sich die Leistung noch durch Reflexion, Streuung und Absorption. An einem wolkenfreien Tag zur Mittagszeit liefert die Sonne in Deutschland etwa 1.000 W solarer Energie pro Quadratmeter. Ein Modul hat ca. 1,6 m² Fläche, bei 20 Modulen sind das 32 m². Damit ergibt sich eine eingestrahlte Leistung von 32 kW auf die Gesamtfläche der Anlage. Werden unter den gegeben Bedingungen 6 kW erzeugt, liegt der Wirkungsgrad der PV-Anlage bei knapp 19 %.
Wie wird der Wirkungsgrad einer Zelle ermittelt?
Wirkungsgrad bzw. Performance Ratio einer PV-Anlage sind jedoch von vielen individuellen Faktoren abhängig – zudem werden die wenigsten Privatanwender die eingestrahlte Leistung exakt bestimmen können. Daher spielen diese Werte in der öffentlichen Diskussion kaum eine Rolle. Anders als der Wirkungsgrad der Solarzellen, der ein Stück weit auch als Qualitätsmerkmal gilt.
Der Wirkungsgrad der Solarzellen lässt sich recht genau und reproduzierbar bestimmen. Dazu werden die Zellen im Labor unter Normbedingungen (Standard Test Conditions, STC) bei 25°C senkrecht mit einem „Sonnen-Simulator“ bestrahlt, einer Lichtquelle, mit definierter Strahlungsleistung und dem Spektrum des natürlichen Lichts.
Die einfallende Lichtenergie setzt entsprechend ihrer Leistung Elektronen frei, das heißt, sie erzeugt bei Verbindung von Minus- und Pluspol der Solarzelle einen Stromfluss. Abhängig von den angeschlossenen Verbrauchern (Last), regelt die Zelle die Spannung nach, um den Stromfluss zu ermöglichen. Wird die Last immer weiter erhöht, erreicht die Zelle irgendwann den Punkt der maximalen Leistung (Pmpp) und danach brechen Strom und Spannung ein.
Die Leistung der Solarzelle bestimmt man, indem man die Messwerte für Strom und Spannung am Pmpp multipliziert. Der so berechnete Betrag wird durch die eingestrahlte Leistung geteilt, um den Wirkungsgrad der Zelle zu ermitteln.
Wie hoch sind die Wirkungsgrade von Solarzellen?
Solarzellen gibt es in vielen verschiedenen Ausfertigungen. Sie können z.B. nach dem verwendeten Material klassifiziert werden. Organische Solarzellen bestehen aus den unterschiedlichsten komplexen organischen Verbindungen und kommen für Dünnschichtmodule oder flexible Module zum Einsatz. Die Zellen lassen sich für viele Anwendungen anpassen, haben aber meist einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad, der um die 10 Prozent liegt.
Kristalline Solarzellen werden auf der Basis von Silizium hergestellt. Die stabilen Module kommen vor allem bei Dach-PV-Anlagen zum Einsatz. Die bläulich schimmernden polykristallinen Zellen sind nur noch bei älteren Modulen zu sehen, während die meisten Module heute aus schwarzen monokristallinen Zellen bestehen. Grund dafür ist der höhere Wirkungsgrad der monokristallinen Zellen von rund 20 Prozent gegenüber etwa 15 Prozent bei polykristallinen Zellen. Hinzu kommt die ansprechendere Optik der monokristallinen Module.
Insbesondere in der Anfangszeit der Photovoltaik, aber auch noch heute, wenn es um besonders preisgünstige Anwendungen geht, kommt auch noch amorphes Silizium als Basis der Zellen zum Einsatz. Die Solarzellen werden hergestellt, indem der Halbleiter auf ein Trägermaterial aufgedampft oder aufgedruckt wird. Diese Dünnschichtzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 10 Prozent und mehr.
Der Unterschied zwischen den Solarzellen hinsichtlich der Wirkungsgrade erklärt sich vor allem dadurch, dass es bei den monokristallinen Solarzellen nicht zu Verlusten an den Grenzbereichen der verschiedenen Kristalle / Zellbereiche kommt.
| Zelltyp | Wirkungsgrad |
|---|---|
| monokristalline Solarzelle | 16 – 24 % |
| polykristalline Solarzelle | 14 – 20 % |
| amorphe Dünnschicht-Solarzelle | 10 – 14 % |
| organische Dünnschicht-Solarzelle | ca. 10 % |
| Tandem- bzw. Hybridsolarzelle | mehr als 40 % |
„Natürliche Grenzen“ des Wirkungsgrades von Solarzellen
Um die Beschränkung des Wirkungsgrades von Solarzellen zu verstehen, ist ein kurzer Ausflug in die Quantenmechanik vonnöten. Halbleiter bilden in kristalliner Form sogenannte Leitungsbänder aus, Energiezustände, innerhalb derer sich die Elektronen bewegen können. Zwischen den einzelnen Bändern gibt es „Bandlücken“, die verhindern, dass die Elektronen von einem Band in das andere wechseln können (der energetische Abstand ist zu groß).
Auf eine Solarzelle auftreffendes Licht regt die Elektronen an, dass sie vom Valenzband (in dem sich die Elektronen in chemischen Bindungen befinden) in das Leitungsband wechseln können. Das bedeutet aber auch, dass die Elektronen beim Rückfall in den Ausgangszustand nur die Energie der „Bandlücke“ (der Abstand zwischen oberer Grenze des Valenzbandes und unterer Grenze des Leitungsbandes) abgeben können, egal mit wie viel Energie sie zuvor angeregt wurden. Der überschüssige Energiebetrag wird in Wärme umgewandelt. Aufgrund dieses Effektes und der Tatsache, dass die Solarzelle selbst Wärmestrahlung emittiert (d.h. einen schwarzen Strahler darstellt), kann die einfallende Lichtenergie niemals vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad der Solarzelle wird dadurch physikalisch auf Werte zwischen 30 und 40 % begrenzt (Shockley-Queisser-Grenze).
Die Einschränkung gilt allerdings nur für einen einzelnen pn-Übergang in der Zelle, bei Mehrfach-Zellen können höheren Wirkungsgrade erreicht werden.
PV-Forschung: Wirkungsgrad erhöhen
Die Erhöhung der Wirkungsgrade der Solarzellen ist ein wichtiges Aufgabenfeld der Photovoltaikforschung. Hier werden immer wieder neue Kombinationen von Halbleitermaterialien wie CIS, CIGS (Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) und CdTe (Cadmium-Tellurit) oder Variationen beim Aufbau der Solarzelle erprobt.
Bereits in der Praxis bewährt sind sogenannte PERC-Zellen (Passivated Emitter Rear Cell), bei denen eine Schicht auf der Rückseite der Zelle, die langwelliges, rotes Licht in die Zelle zurück reflektiert. Dadurch können PERC-Zellen auch Teile des Lichtspektrums verwerten, das durch kristalline Standardzellen meist ungenutzt hindurch geht. Der Wirkungsgrad lässt sich durch Rückseitenpassivierung um ca. 1 Prozent erhöhen, allerdings sind die PERC-Zellen anfälliger für lichtinduzierte Schäden.
Durchgesetzt haben sich mittlerweile auch sogenannte bifaciale Solarzellen mit einer photoaktiven Ober- und Unterseite. Auf dem Dach können diese Zellen nur einen Teil ihrer Wirkung entfalten, bei Freiflächenanlagen, bei denen von beiden Seiten Licht auf die Zelle fällt, lassen sich Mehrerträge von 5 % bis 30 % erzielen.
Auch die Halbierung der Solarzellen (sogenannte Halbzellen) bringt Zugewinne beim Wirkungsgrad. Durch die Teilung wird die Verlustleistung in der Zelle deutlich reduziert, wodurch mehr Leistung genutzt werden kann.
Viel Potential bieten die organischen Zellen, da organische Halbleiter in unzähligen Varianten hergestellt werden können. Zudem lassen sich die Kohlenwasserstoff-Moleküle den jeweiligen Anforderungen anpassen. Während die Wirkungsgrade kommerziell eingesetzter organischer Zellen bei ca. 10 Prozent liegen, konnten im Labor schon Solarzellen mit 15 Prozent Wirkungsgrad erzeugt werden.
Bei kristallinen Solarzellen werden die größten Hoffnungen momentan auf sogenannte Tandemzellen (Multi-junction solar cell) gesetzt. Bei diesem Zelltyp werden zwei oder mehr Solarzellen aus verschiedenen Materialien übereinander angeordnet. Die Grundidee: Jede Schicht kann einen anderen Teil des Lichtspektrums optimal nutzen, wodurch sich Wirkungsgrade erzielen lassen, die über den „natürlichen Grenzen“ liegen. Im Mai 2022 stellte das Fraunhofer ISE die bisher effizienteste Solarzelle der Welt mit einem Wirkungsgrad von 47,6 Prozent vor.
Für eine Gallium-Arsenit-Dünnschichtzelle wurde sogar schon ein Wirkungsgrad von knapp 69 % ermittelt. Um diesen Rekordwert zu erreichen, wurde die Zelle mit einem Laser bestrahlt und ihre Rückseite mit einem hochreflektierenden, leitfähigen Rückseitenspiegel versehen.
Foto: © Fraunhofer ISE
Höhere Wirkungsgrad, bessere Solarzelle?
Bei der Auswahl von Solarzellen für die praktische Anwendung spielt nicht nur der Wirkungsgrad eine Rolle. Ebenso berücksichtigt werden sollten
- das Schwachlichtverhalten
- das Wärmeverhalten
- die Kosten
- die Erfahrungen zur langfristigen Performance
Da der Wirkungsgrad eine unter idealtypischen Bedingungen ermittelte Größe ist, kann es sein, dass Solarzellen bzw. Module in der Praxis schlechter abschneiden, wenn die Lichtverhältnisse eher ungünstig sind (Schwachlicht). Auch ist der Ertrag von Solarzellen abhängig von der Außentemperatur. Einige Zellen kommen mit höheren Temperaturen besser zurecht als andere. Aus ökonomischen Gründen muss zudem abgewogen werden, ob ein Mehr an Effizienz auch einen höheren Preis rechtfertigt. Nicht zuletzt kann es sinnvoll sein, bewährte Zell-Technologien einzusetzen, auch wenn diese einen niedrigeren Wirkungsgrad haben, da diese sicher für 20 Jahre und länger ihre Funktion erfüllen. Bei Neuentwicklungen gibt es diese Erfahrungen meist noch nicht.
