Letzte Aktualisierung: 13.12.2016

Wirkungsgrad von Solarmodulen im Vergleich

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Was besagt der Wirkungsgrad von Solarmodulen? Wie bemisst sich der Wirkungsgrad? Welche Bedeutung hat er für die Modulauswahl?

Der Wirkungsgrad von Solarmodulen wird in Prozent angegeben und beschreibt die Umwandlung der nutzbar gemachten Stromenergie im Verhältnis zur Einstrahlungsenergie. Wenn nicht anders angegeben, bezeichnet der Modulwirkungsgrad einen Nennwirkungsgrad. Er wird unter genormten Bedingungen („STC“, standard test conditions) bestimmt als Verhältnis von abgegebener elektrischer Leistung zur eingestrahlten Leistung auf die Modulgesamtfläche. Die Normbedingungen sehen insbesondere eine Modultemperatur von 25° C, senkrechte Einstrahlung mit 1000 W/m2 und ein bestimmtes Einstrahlungsspektrum vor. Im realen Betrieb weichen die Bedingungen davon meistens deutlich ab, so dass der Wirkungsgrad variiert

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Messung des Wirkungsgrades eines Solarmoduls

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls wird aus dem Verhältnis von Leistung pro Modul-/Zellfläche ermittelt. In der Praxis geben Hersteller den Solarmodul-Wirkungsgrad in ihren technischen Datenblättern nach STC oder NOCT an. Dies sind Labor-Tests von Solarmodulen. Der Wirkungsgrad unter Standard-Testbedingungen (STC) ist dabei höher als der Modulwirkungsgrad unter "Normal Operating Cell Temperature" (NOCT), der u. a. bei Zellen-Nennbetriebsbedingungen von 48°C (STC bei 25°C) gemessen wird.

Der Wirkungsgrad bezieht sich dabei immer auf die gesamte Modulfläche. Sind keine Angaben zu den Testbedingungen zu finden, unter denen der Wirkungsgrad des Solarmoduls ermittelt wurde, so ist davon auszugehen, dass der STC-Wirkungsgrad angegeben wird. Solarmodule, die das Gütezeichen RAL-GZ 966 tragen, müssen die NOCT und die Leistungsangaben bei Erreichen der NOCT auf dem Modul-Datenblatt angeben.

Vergleich des Wirkungsgrades von Solarzellen

Einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad des Moduls ist der Wirkungsgrad der im Modul eingesetzten Solarzelle. Der Wirkungsgrad der Solarzellen wird dabei durch verschiedene Parameter beeinflusst. Ein wichtiger Faktor ist das eingesetzte Trägermaterial bzw. Halbleiter.

Silizium-Solarzellen

Am häufigsten wird der Halbleiter Silizium als Trägermaterial in kristallinen Solarzellen verwendet. Silizium ist ein Halbmetall, welches sowohl die Eigenschaften von Metallen als auch Nichtmetallen und gute Leiteigenschaften aufweist. Monokristalline Zellen weisen einen Wirkungsgrad von 16 bis 22% auf, polykristalline Solarzellen weisen heutzutage in etwa einen Wirkungsgrad von 14 bis 20% auf.

Amorphe Solarzellen

Amorphe Zellen, sogenannte Dünnschichtsolarzellen, auf der Basis z. B. von CuInSe2-Verbindungshalbleitern (CIS-Solarzellen) erreichen hingegen nur einen Wirkungsgrad von 10% bis 12%. Der Wirkungsgrad von Solarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Solarzellen) liegt im Moment bei 11 bis 14 %. Es gibt jedoch auch andere Materialien wie beispielsweise Cadmiumtellurid (etwa 11%) oder Galliumarsenid (20% bis 25%), die in Solarzellen zum Einsatz kommen.

Organische Solarzellen

Neben den anorganischen Solarzellen, zu denen die kristallinen und amorphen Solarzellen zählen, gibt es auch organische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen. Sie könnten in Zukunft eine größere Rolle bei der Herstellung von Solarmodulen spielen, da sie eine kostengünstige Herstellung der Solarmodule erlauben. Jedoch ist ihr Wirkungsgrad mit rund 10% derzeit noch sehr gering und sie verfügen über eine nur recht kurze Lebensdauer.

Hybride Solarzellen

In jüngster Vergangenheit wurden hybride Solarzellen entwickelt. Das sind Solarmodule, die sowohl anorganische als auch organische Elemente enthalten. Durch die Verwendung unterschiedlicher Halbleiter sollen unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums in Strom umgewandelt werden können. In der Forschung konnten hybride Solarzellen bereits Wirkungsgrade von über 40% erbringen.

Überblick über den Wirkungsgrad von unterschiedlichen Solarzellen
Solarzellentyp Monokristalline Solarzelle Polykristalline Solarzelle CIS- Solarzelle CIGS- Solarzelle Organische Solarzelle Hybride Solarzelle
Wirkungsgrad 16 bis 22% 14 bis 20% 10 bis 12% 11 bis 14% ~ 10% ~ 40%

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Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarmodulen

Der Aufbau eines Solarmoduls besteht aus einer Vielzahl von Solarzellen und weiteren Komponenten wie u.a. einem Einscheiben-Sicherheitsglas, einer transparenten Kunststoffschicht, einer Rückseitenkaschierung und einem Aluminiumprofil.

Antireflexionsschicht

Durch Reflexion des einstrahlenden Lichts geht ein Teil der Sonnenenergie verloren, der nicht in Stromenergie umgewandelt werden kann. Durch das Auftragen einer Antireflexschicht auf die Siliziumschicht der Solarmodule an der Oberfläche wird der Wirkungsgrad erhöht, da mehr Licht eingefangen, d.h. absorbiert wird. Die Antireflexionsschicht auf den Solarmodulen ist für das typische Erscheinungsbild von Solarmodulen, ihre bläuliche bis schwarze Farbe, verantwortlich. Unbeschichtete Solarzellen sehen dagegen silbrig-grau aus.

Einen besonders guten Wirkungsgrad erzielen Antireflexschichten, die sich auf den roten Teil des Spektrums ausgerichtet sind, der bevorzugten Absorbtionswellenlänge des Siliziums. Es ließen sich so zwar auch rote, gelbe oder grüne Solarmodule produzieren. Sie hätten jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad.

Degradation

Die Degradation ist ein weiterer den Wirkungsgrad von Solarmodulen beeinflussender Faktor. Die Degradation beschreibt den Alterungsprozess bzw. das Alterungsverhalten von Solarmodulen. Durch die Alterung verlieren Solarmodule einen Teil ihres Wirkungsgrades. Die Art der Solarzellen und das verwendete Trägermaterial wiederum bestimmen die Degradation.

Polykristalline Solarmodulealtern in der Regel langsamer, jedoch etwas konstanter als monokristalline Solarmodule. Monokristalline Solarmodule altern hingegen in den ersten Monaten etwas stärker. Ihre Degradation ist dann zwar höher. Sie stabilisiert sich jedoch anschließend auf einem niedrigen konstanten Niveau. Die Degradation des Wirkungsgrades liegt im Durchschnitt bei 10% in 25 Jahren. Daher geben die meisten Hersteller eine Leistungsgarantie auf ihre Solarmodule von 25 Jahren bei mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung.

Daneben gibt es viele weitere Faktoren wie z. B. die Ausrichtung und die Umgebungstemperatur der Solarmodule, die die jeweils im Praxisbetrieb resultierende Ist-Leistung von Solarmodulen beeinflussen. Daher ist in der Praxis der Wirkungsgrad des Solarmoduls auch immer geringer als der der Solarzelle unter Testbedingungen.

Wirkungsgrad-Vergleich von kristallinen und Dünnschichtmodulen

Wirkungsgrad von kristallinen Solarmodulen

Monokristalline und polykristalline Solarmodule weisen derzeit den höchsten Wirkungsgrad von am Markt erhältlichen Modulen auf. Sie werden daher auch am häufigsten eingesetzt. Vergleicht man den Wirkungsgrad von Modul-Herstellern von kristallinen Solarmodulen miteinander, so ist kein sehr großer Unterschied zwischen den Modulen zu erkennen. Der Wirkungsgrad der meisten kristallinen Module schwankt je nach Leistung lediglich zwischen rund 13 bis 16%. Einzelne Module erreichen jedoch auch eine deutlich höhere Moduleffizienz.

Wirkungsgrad von Dünnschichmodulen

Dünnschichtmodule werden nach den kristallinen Solarmodulen weitaus weniger häufig eingesetzt. Sie weisen mit etwa 7 bis 9% einen geringeren Wirkungsgrad auf und waren im Preisvergleich mit kristallinen Modulen lange deutlich Zeit günstiger, sodass sie eher bei größeren Solaranlagen zum Einsatz kamen. Heute hat sich aber auch der Preis-Leistungs-Vorteil von Dünnschichtmodulen relativiert.

Vergleich des Wirkungsgrad von mono- und polykristallinen Solarmodulen mit 240 Watt Leistung (Stand 2014)
Hersteller Solarmodul Wirkungsgrad Zelltyp
3S Photovoltaics 3S Black 240 frame 14,60% monokristallin
Aide Solar AD240M6-Ab 14,79% monokristallin
Canadian Solar CS5P-240 14,12% monokristallin
ET Solar ET-M660240WW 14,75% monokristallin
AlexSolar P-240D-18 14,69% polykristallin
Franfurt Solar FS 240W-POLY 14,76% polykristallin
Hanwha SolarOne SF220-30-1P240 14,50% polykristallin
Hareon Solar HR-240 W 14,79% polykristallin

Leistung und Wirkungsgrad von Solarmodulen

Beim Kauf von Solarmodulen und der Auswahl des Wirkungsgrades sollte man beachten, dass der Wirkungsgrad mit der Leistung des Moduls linear korreliert und leistungsstärkere Module einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als dieselben Module mit einer geringeren Leistung.

Beim Kauf von Solarmodulen lohnt es sich daher, leistungstärkere Solarmodule mit einem höheren Wirkungsgrad zu kaufen. Dies gilt jedoch nur solange wie der Zugewinn an Solarstrom (Grenzertrag) die zusätzlichen Kosten für den höheren Modulwirkungsgrad (Grenzkosten) nicht übersteigt.

In der Praxis sind diese Überlegung für eine Neuinstallation einer kleinen bis mittelgroßen Photovoltaikanlage bei der aktuellen Preissituation für kristalline Module nahezu zu vernachlässigen. Hier kommt es eher auf den Gesamtpreis der Anlage, der Qualität der Komponenten wie z. B. dem Wechselrichter und der Planung und Montage der Gesamtanlage durch einen PV-Fachmann an, um langfristig einen hohen Solarertrag zu erzielen.

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