Wirkungsgrad von Solarzellen: Steigt die Effizienz immer weiter?

Der Wirkungsgrad wird immer dann genannt, wenn es um die Effizienz von Solaranlagen geht. In den vergangenen Jahren hat sich diese Kennzahl immer weiter verbessert. Derzeit liegen die besten Wirkungsgrade bei rund 24 % für monokristalline Solarzellen, Zell-Prototypen erreichen unter Laborbedingungen sogar bis zu 47 % Wirkungsgrad. Aber wie wichtig ist der Wirkungsgrad für den tatsächlichen Ertrag einer PV-Anlage? Und wie weit lässt sich der Wirkungsgrad von Solarzellen überhaupt steigern? Wir geben Ihnen hier einen Überblick, worauf Sie beim Wirkungsgrad achten sollten.

Wirkungsgrad der Solarzelle einfach erklärt

Der Wirkungsgrad ist die wichtigste Kennzahl für die Leistung einer Solarzelle. Er gibt an, wie viel Prozent des einfallenden Sonnenlichts in der Solarzelle in elektrischen Strom umgewandelt werden können. Ein Quadratmeter Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 24 % erzeugt also unter gleichen Bedingungen mehr Strom als ein Quadratmeter Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 20 %. Das spielt vor allem dann eine Rolle, wenn nur eine begrenzte Fläche für Solarmodule zur Verfügung steht, etwa auf dem Hausdach.

Wie errechnet man den Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird in Prozent angegeben, das Formelzeichen für die Berechnung lautet Eta (Ƞ). Berechnet wird der Wirkungsgrad, indem man die erzeugte Energie (elektrischer Strom) durch die zugeführte Energie (Sonneneinstrahlung) dividiert:

η = P (Solarstrom) / P (Sonnenenergie)

Über die Effizienz der Solarzelle sagt diese Berechnung allerdings zunächst wenig aus. Denn um diese zu berechnen, muss auch die Fläche des Moduls berücksichtigt werden. Hier rechnet man:

Wirkungsgrad = Leistung Solarzelle (in Watt) / [Fläche der Solarzelle (in m²) x Sonneneinstrahlung (in Watt pro m²)]

Das Ergebnis wird mit 100 multipliziert, um eine Prozentzahl zu erhalten.

Ist der Wirkungsgrad der wichtigste Faktor beim Kauf von Solarmodulen?

Der Wirkungsgrad ist eine wichtige Kennzahl beim Kauf von Solarmodulen – zum einen, weil er unmittelbar Aufschluss über die Effizienz der Module gibt und zum anderen, weil er hilft, die Module unterschiedlicher Hersteller miteinander vergleichbar zu machen. Dennoch sollte der Wirkungsgrad nicht das einzige Kriterium bei der Kaufentscheidung sein. Denn der Gesamtwirkungsgrad der installierten PV-Anlage entspricht nicht unbedingt dem Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen.

Welche Faktoren sind ausschlaggebend für die Leistung einer PV-Anlage?

Neben dem Wirkungsgrad der Solarzellen haben viele weitere Faktoren Einfluss auf die Leistung einer Solaranlage. Das können technische Aspekte wie die Größe der Solarmodule, die Art des Wechselrichters sowie Länge und Querschnitt der verwendeten Leitungen sein. Mindestens ebenso wichtig für die Leistung sind aber die Standortbedingungen. Dazu zählen unter anderem:

• Ausrichtung der Solaranlage auf dem Dach: Ideal sind nach Süden, Süd-Ost oder Süd-West ausgerichtete PV-Module. Eine Ost-West-Ausrichtung nutzt die Sonnenstunden über den Tag hinweg besonders effektiv. 
• Modulneigung: In Deutschland erreichen Solaranlagen die beste durchschnittliche Leistung, wenn die Solarmodule in einem Winkel von 30–35 Grad zum Himmel ausgerichtet sind. 
• Verschattung: Permanente Verschattung durch hohe Bäume, Schornsteine oder Nachbargebäude kann die Leistung der Solaranlage mindern.
• Sonneneinstrahlung: Die Strahlungsintensität in Deutschland variiert von Nord nach Süd – Solaranlagen im Süden Deutschlands liefern daher oft höhere Erträge als vergleichbare Anlagen im Norden.
• Temperatur: Mit steigender Temperatur in den Solarzellen nimmt deren Leistung ab. Daher kann es sein, dass unzureichend hinterlüftete Solarmodule bei starker Sonneneinstrahlung eine reduzierte Leistung erbringen. 
• Alterung: Mit der Zeit nimmt die Leitung der Solarzellen ab, sodass die Erträge geringer ausfallen. Heute installierte Solaranlagen haben eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren.

Nicht zuletzt sind die Jahreszeit und Witterung entscheidend für die Leistung der Solarmodule. Zwar erzeugt die PV-Anlage auch im Winter Strom , die Leistung ist aber gegenüber dem Sommer deutlich geringer.

Im Vergleich: Wirkungsgrade unterschiedlicher Solarzellen

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen monokristalline Solarzellen. Daher sind Solarmodule mit monokristallinen Zellen heute die am häufigsten verwendete Technologie für PV-Dachanlagen.

Mehr über die unterschiedlichen Arten von Solarzellen sowie ihren grundsätzlichen Aufbau und die Funktionsweise erfahren Sie in unserem Beitrag Solarzellen.

Steigt die Effizienz von Solarmodulen immer weiter?

Nach den Gesetzen der Physik kann immer nur ein bestimmter Teil der Sonneneinstrahlung in der Solarzelle in Wärme umgewandelt werden. Ein Wirkungsgrad von 100% – also die vollständige Umwandlung der Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom – ist daher nicht möglich. Bei konventionellen Solarzellen in Halbleiterbauweise ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad auf etwa 40% begrenzt.

Sogenannte hocheffiziente Solarzellen, die nicht nur einen Materialübergang haben, sondern aus mehreren übereinandergelegten Schichten bestehen, könnten theoretisch Wirkungsgrade von mehr als 85% erzielen. Allerdings sind sowohl Entwicklung als auch Herstellung solcher Zellen noch sehr teuer und bisher nur unter Laborbedingungen im Einsatz.

So können Sie die Effizienz Ihrer PV-Anlage selbst steigern

Den Wirkungsgrad Ihrer Solarmodule können Sie zwar nicht beeinflussen, es gibt aber Möglichkeiten, Leistung und Effizienz Ihrer Solaranlage zu optimieren. Zum einen sollten Sie sich grundsätzlich professionell beraten lassen, damit die Anlage optimal auf Ihre Anforderungen und Ihre Standortbedingungen zugeschnitten ist. Nur so kann die Solaranlage effizient und wirtschaftlich arbeiten. Zum anderen können Sie die Anlage als Teil eines 360-Grad-Energiesystems planen, um den selbst erzeugten Strom möglichst optimal zu nutzen: In der Kombination mit einem Stromspeicher, einer Wallbox fürs E-Auto und ggf. einer Wärmepumpe verbrauchen Sie den größten Teil Ihres Solarstroms selbst und sparen somit Stromkosten.

Wirkungsgrad von Solarzellen – ein Blick in die Forschung

Forschung und Industrie sind bestrebt, den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter zu steigern: Je effizienter die Zellen arbeiten, desto mehr Strom lässt sich auch auf kleineren Flächen oder bei geringerer Sonneneinstrahlung erzeugen. So arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Rahmen des Projekts „50Prozent“ daran, eine Solarzelle mit 50 % Wirkungsgrad zu entwickeln. Bereits im Jahr 2022 haben die Forschenden eine Vierfachsolarzelle vorgestellt, die im Labor einen Wirkungsgrad von 47,6 % erzielte. Marktreif ist diese Solarzelle zwar noch nicht, sie ist aber ein guter Indikator für die grundsätzliche Entwicklung hin zu Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden.

Eine weitere Entwicklung, die den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinflusst, ist die steigende Lebensdauer von Solarmodulen. Heutige Module haben eine erwartete Lebensdauer von bis zu 30 Jahren und sind deutlich widerstandsfähiger als die Modelle, die vor 10 oder 20 Jahren im Handel waren. Daher ist der Leistungsabfall der Zellen über ihre Lebensdauer hinweg – die sogenannte Degradation – bei modernen Solarmodulen deutlich geringer, ihr Wirkungsgrad verringert sich also weniger stark im Laufe der Jahre.