Photovoltaik Wirkungsgrad: Einflussfaktoren und Optimierungsmöglichkeiten

Der Wirkungsgrad ist eine der wichtigsten Kenngrößen in der Photovoltaik. Er gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet mehr Strom pro Quadratmeter Modulfläche. Doch welche Faktoren beeinflussen den Photovoltaik Wirkungsgrad, und wie lässt er sich optimieren?

Zunächst ist es wichtig, zwischen verschiedenen Wirkungsgraden zu unterscheiden. Der Zellwirkungsgrad beschreibt die Effizienz einer einzelnen Solarzelle unter Standardtestbedingungen (STC: 1000 W/m², 25°C Zelltemperatur, AM 1,5 Spektrum). Der Modulwirkungsgrad liegt etwas niedriger, da er auch die nicht aktiven Flächen wie Zellabstände, Rahmen und Anschlussdosen berücksichtigt. Der Systemwirkungsgrad schließlich umfasst alle Verluste im Gesamtsystem, einschließlich Kabel, Wechselrichter und gegebenenfalls Batteriespeicher.

Die verschiedenen Zelltechnologien unterscheiden sich erheblich in ihrem Wirkungsgrad. Monokristalline Siliziumzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade unter den marktüblichen Technologien. Die aktuellen Rekordwerte liegen bei 26,8 Prozent für monokristalline Zellen im Labor. Polykristalline Zellen erreichen etwas niedrigere Werte von maximal etwa 23 Prozent. Dünnschichtzellen auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) liegen bei 22 bis 23 Prozent im Labor, in der Praxis bei 15 bis 19 Prozent.

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad im realen Betrieb. Silizium-Solarzellen verlieren pro Grad Celsius Temperaturanstieg über 25°C etwa 0,3 bis 0,5 Prozent ihrer Leistung. An einem heißen Sommertag können die Modultemperaturen 65 bis 75 Grad Celsius erreichen, was zu Leistungseinbußen von 15 bis 20 Prozent führt. Dies erklärt, warum Solaranlagen an kühlen, sonnigen Tagen im Frühling oft höhere Momentanleistungen erzielen als an heißen Sommertagen.

Die Einstrahlung beeinflusst den Wirkungsgrad ebenfalls. Zwar steigt die erzeugte Leistung mit der Einstrahlung, aber der Wirkungsgrad bleibt nicht konstant. Bei sehr niedriger Einstrahlung, etwa bei bewölktem Himmel, sinkt der Wirkungsgrad, da die Grundverluste im System einen größeren Anteil ausmachen. Hochwertige Module mit gutem Schwachlichtverhalten zeigen hier geringere Einbußen als günstige Module.

Das Spektrum des Sonnenlichts verändert sich im Tagesverlauf und im Jahresverlauf. Morgens und abends ist der Rotanteil höher, mittags dominiert der Blauanteil. Silizium-Solarzellen reagieren auf verschiedene Wellenlängen unterschiedlich effizient. Die Standardtestbedingungen basieren auf dem AM 1,5 Spektrum, das der Mittagssonne in mittleren Breiten entspricht. Abweichungen vom Standardspektrum können den Wirkungsgrad um einige Prozent beeinflussen.