Wirkungsgrad Solarzelle
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Wirkungsgrad Solarzelle: eine kurze Definition
Der Wirkungsgrad Solarzelle wird auch als Effizienz bezeichnet. Diese Größe gibt an, wie effektiv die Solarzelle Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Konkret heißt das: Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom erzeugt eine Solarzelle aus der Menge Sonnenlicht, die auf das Solarmodul trifft. Auch wenn ein hoher Wirkungsgrad wünschenswert ist, so macht er allein eine Solarzelle nicht zwingend besser. Auch andere Faktoren, wie die Lebensdauer und die Anschaffungskosten, sind bei der Bewertung einer Solarzelle ebenfalls zu berücksichtigen.
Welche Faktoren haben Einfluss auf den Wirkungsgrad von Solarzellen?
Wie bei den meisten Kennzahlen einer Photovoltaikanlage haben unterschiedliche Größen Einfluss auf den Wirkungsgrad und sollten deshalb umfassend betrachtet werden, wenn Sie Solarzellen kaufen wollen.
Den Wirkungsgrad einer Solarzelle bestimmen vor allem folgende Faktoren:
- Material der Solarzelle:
Unterschiedliche Materialien, wie monokristallines, polykristallines oder Dünnschicht-Silizium, haben unterschiedliche Umwandlungseffizienzen. - Lichteinstrahlung:
Die Intensität und der Einfallswinkel des Sonnenlichts beeinflussen, wie viel Energie die Zelle umwandeln kann. - Temperatur:
Höhere Temperaturen können den Wirkungsgrad verringern, da die Leistung der Solarzelle bei höheren Temperaturen abnimmt. - Reflexionsverluste:
Ein Teil des Sonnenlichts wird von der Oberfläche der Zelle reflektiert, was den Wirkungsgrad senkt. - Alterung der Zelle:
Mit der Zeit nimmt die Effizienz der Solarzellen durch natürliche Degradation ab. Hier ist die Qualität des Produkts wesentlich. Üblicherweise garantieren seriöse Hersteller nach 20 Jahren Laufzeit noch mehr als 85 % der ursprünglichen Leistung des Solarmoduls. - Verschattung:
Schatten auf einem Teil der Solarzelle oder des Moduls kann die Gesamtleistung erheblich reduzieren. - Technologie:
Moderne Technologien wie PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) oder Tandemzellen können den Wirkungsgrad erhöhen.
- Gut zu wissen!
Solarhersteller ermitteln den Wirkungsgrad eines gesamten Solarmoduls. Der Wirkungsgrad einer einzelnen Zelle wäre wenig aussagekräftig, da ein Solarmodul aus mehreren verbundenen Zellen besteht und auf Modulebene zusätzliche Energieverluste auftreten können.
Der Wirkungsgrad Solarzelle hängt von der Technologie ab
Sie können davon ausgehen, dass eine moderne Solarzelle einen Wirkungsgrad zwischen 20 und 25 % hat. Der bevorzugte Typ ist die monokristalline Solarzelle. Das ergibt sich einem deutlich höheren Wirkungsgrad als bei polykristallinen Zellen.
Hier eine Übersicht der Wirkungsgrade:
| Zellentyp | Wirkungsgrad |
| Monokristalline Solarzelle | 18 bis 25 % |
| Polykristalline Solarzelle | 15 bis 20 % |
| Dünnschicht (amorphes Silizium) | 6 bis 19 % |
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist vergleichsweise gering, weil mehrere physikalische und technische Faktoren die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie einschränken:
- Spektrale Verluste:
Solarzellen können nur bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Ein großer Teil der Energie wird entweder in Wärme umgewandelt oder durch Reflektion verloren. - Rekombination von Elektronen:
Ein Teil der durch das Sonnenlicht erzeugten Elektronen rekombiniert mit Löchern, bevor sie zur Stromerzeugung genutzt werden können. Dadurch geht ein Teil der potenziellen Energie verloren. - Temperaturabhängigkeit:
Bei steigenden Temperaturen sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen, da die elektrische Leitfähigkeit und die Effizienz der Zellen nachlassen. - Reflexionsverluste:
Ein Teil des Sonnenlichts wird von der Oberfläche der Zelle reflektiert und kann nicht genutzt werden. - Materialeigenschaften:
Die physikalischen Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials, z. B. Silizium, begrenzen die maximale Effizienz, da sie nicht das gesamte Sonnenspektrum absorbieren können.
Diese Faktoren führen dazu, dass der Wirkungsgrad typischerweise maximal bei 25% liegt.
So wird er Wirkungsgrad Solarzelle berechnet
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird berechnet, indem man die Menge an elektrischer Energie, die sie erzeugt, durch die Menge an einfallender Sonnenenergie teilt. Die Formel lautet:
Wirkungsgrad(η) = Elektrische Leistung / Eingestrahlte Sonnenenergie×100
Beispielrechnung:
Angenommen, wir haben eine Solarzelle mit folgenden Daten:
- Elektrische Leistung (Ausgangsleistung): 200 W (Watt)
- Eingestrahlte Sonnenenergie (Einstrahlungsleistung): 1.000 W/m² (typischer Wert bei optimalen Bedingungen)
- Fläche der Solarzelle: 1,5 m²
Schritt 1: Berechnung der eingestrahlten Sonnenenergie
Die Sonnenenergie, die auf die Solarzelle fällt, beträgt:
Eingestrahlte Energie = Sonnenenergie pro qm × Fläche
Eingestrahlte Energie = 1.000 W/m² × 1,5 qm = 1.500 W
Schritt 2: Berechnung des Wirkungsgrads
Nun setzen wir die elektrische Leistung und die eingestrahlte Sonnenenergie in die Wirkungsgrad-Formel ein:
η=200 W / 1.500 W × 100 = 13,33%
Ergebnis:
Der Wirkungsgrad dieser Solarzelle beträgt 13,33 %. Das bedeutet, dass die Solarzelle 13,33 % der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt.
Solarzellen kaufen – das müssen Sie wissen
Da Sie genau genommen Solarmodule und nicht einzelne Solarzellen kaufen, müssen Sie eines bedenken. Wie schon gesagt, haben Solarmodule einen anderen Wirkungsgrad als Solarzellen. Der im Datenblatt beschrieben Wirkungsgrad von Solarmodulen wird unter den sogenannten Standardtestbedingen (STC) ermitteln.
Die Standardtestbedingen (Standard Test Conditions) beziehen sich auf:
- eine Bestrahlungsstärke von 1000 Watt pro Quadratmeter
- eine Zelltemperatur von 25°C
- und eine Luftmasse (Air Mass) von 1,5.
Mehr zum Thema Leistung einer PV-Anlage lesen Sie in unserem Beitrag hier.
Da der Wirkungsgrad unter idealen Bedingungen ermittelt wird, zeigt sich in der Praxis, dass Solarmodule im normalen Betrieb weniger effizient arbeiten, insbesondere bei ungünstigen Lichtverhältnissen. Zudem hängt der Ertrag von Solarzellen stark von der Außentemperatur ab, wobei einige Zellen bei hohen Temperaturen besser abschneiden als andere.
Wenn Sie nach der Suche nach den richtigen Solarmodulen sind, sollten Sie aus wirtschaftlicher Sicht abwägen, ob eine höhere Effizienz den höheren Preis rechtfertigt. Bewährte Zelltechnologien im Gegensatz zu den Spitzenleistern sind – auch wenn sie einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen – oft die bessere Wahl, da sie bewiesen haben, dass sie zuverlässig über 20 Jahre und länger funktionieren. Neuentwicklungen bieten diese langjährigen Erfahrungswerte oft noch nicht.
Die aktuelle Standardgröße ergibt sich aus den Maßen: 1,76 m x 1,13 m = 1,998 qm. Solch ein Modul hat eine Leistung von rund 420 Watt. Damit reichen ca. neun Module für eine 4-kW-Anlage aus.
Wichtig! Aufgrund der Vorgaben ist in Deutschland bei Dachanlagen auf Wohngebäuden eine maximale Modulgröße von 2 qm zugelassen.
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