Wirkungsgrade von Solarzellen im Vergleich

• Was ist der Wirkungsgrad? Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der nutzbaren Energie, die eine Solarzelle erzeugt, zur gesamten zugeführten Energie. Er gibt an, wie effizient bzw. wie viel Solarenergie die Solarzelle in Strom umwandelt. Marktübliche Solarzellen weisen heute einen Wirkungsgrad von rund 24 Prozent auf.
• Wirkungsgrad berechnen: Der Wirkungsgrad η (Eta) einer Solarzelle kann mit der Formel η = P_elekrisch / P_Licht × 100 % berechnet werden, wobei P_elektrisch die erzeugte elektrische Leistung und P_Licht die einfallende Lichtleistung ist. Diese Berechnung hilft, die Effizienz der Solarzelle in Prozent auszudrücken.
• Beispiel Solarzellen Wirkungsgrad: Eine Solarzelle mit einer Ausgangsleistung von 250 W und einer eingestrahlten Leistung von 1000 W/m² (bei einer Fläche von 1 m²) hat einen Zell-Wirkungsgrad von η = (250 W / 1000 W) × 100 =25 %.
• Faktoren für hohe Wirkungsgrade: Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt hauptsächlich vom pn-Übergang ab, der die Umwandlung von Licht in elektrische Energie ermöglicht. Darüber hinaus trägt entscheidend dazu bei, welcher Umfang des Lichtspektrums nutzbar gemacht werden kann.
• Die höchsten Wirkungsgrade: Solarzellen wie Tandem- und Multijunction-Zellen haben in den vergangenen Jahren immer höhere Wirkungsgrade erreicht. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen ist gemäß dem Shockley-Queisser-Limit aber auf etwa 30 Prozent begrenzt. Höhere Wirkungsgrade von bis zu 46 Prozent wurden daher bisher nur im Labor mit anderen Halbleiter-Materialien erreicht.

Als den Wirkungsgrad einer Solarzelle bezeichnet man das Verhältnis, das angibt, wie viel der zur Verfügung stehenden solaren elektromagnetischen Energie von der Solarzelle in Solarstrom umgewandelt wird.

Oder anders ausgedrückt: Der Wirkungsgrad η (symbolisiert mit dem griechischen Buchstaben Eta) einer Solarzelle entspricht dem Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung P_elektrisch und der Leistung der einfallenden Sonnenstrahlung P_Licht.

Die entsprechende Formel sähe dann so aus:

\(η = {P_{elektrisch} \over P_{Licht}}\)

Eine typische Solarzelle besteht aus Halbleitermaterialien und ist im Grunde wie eine großflächige Photo-Diode aufgebaut. Sie wird als Stromquelle betrieben. Dieser photoelektrische Effekt gelingt dank einer besonderen Fähigkeit von Halbleitern: Führt man ihnen Energie zu (hier: Photonen der elektromagnetische Strahlung der Sonne) erzeugen sie in ihrem Innern freie Ladungsträger, darunter Elektronen und sogenannte Löcher.

Damit aus solchen Ladungen ein elektrischer Strom wird, müssen die erzeugten freien Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden. Das realisiert man meist mit Hilfe eines internen elektrischen Feldes, das mit Hilfe eines sogenannten p-n-Übergangs erzeugt werden kann.

Ein p-n-Übergang ist ein Materialübergang in Halbleitern, wo die Dotierung von negativ (n) zu positiv (p) wechselt. Das Besondere am p-n-Übergang ist, dass eine Raumladungszone, die man auch Verarmungszone oder Sperrschicht nennt, ausgebildet wird. Legt man eine äußere Spannung an, lässt die Raumladungszone den Stromfluss in nur einer Richtung zu.

Alle Ladungsträger, die vom Sonnenlicht mehr Energie erhalten als nötig wäre, um die Bandlücke zu überwinden, geben diese überschüssige Anregungsenergie in Form von ungenutzter Wärme an die Solarzelle ab. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang Thermalisation.

Zusammengenommen beschränken diese beiden Effekte den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen tatsächlich auf etwa 30 Prozent, das so genannte Shockley-Queisser-Limit.

Dieses "Shockley-Queisser-Limit" gilt jedoch nur für den Fall einer Zelle mit nur einem pn-Übergang. Ist der Bandabstand optimiert und die Wellenlänge des Lichts darauf abgestimmt, erreicht ein p-n-Übergang theoretisch einen Wirkungsgrad von bis zu 41 Prozent.

In der Praxis sieht das anders aus: Das Gros der Anwendungen von Solarzellen erzielt Wirkungsgrade von bis zu 25 Prozent, der durchschnittliche Wirkungsgrad bei Silizium-Solarzellen auf dem Dach liegt derzeit bei 21 Prozent.

Bei sogenannten Tandem-Solarzellen, die dank mehrerer unterschiedlicher p-n-Übergänge auch größere Spektralbereiche abgreifen, kann die Summe der Wirkungsgrade der p-n-Übergänge auch über der theoretischen Grenze von 41 Prozent liegen.

Weltweit tüfteln Forscher daran, die Leistung, sprich: den Wirkungsgrad, von Solarzellen zu verbessern. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, Solarzellen zu entwickeln, die einerseits einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und andererseits günstig in ihrer Herstellung sind.

Seit vielen Jahren gibt es daher immer neue Meldungen über technische Innovationen, die den Wirkungsgrad der Solarzelle verbessern konnten. Dabei spricht man hinsichtlich des Solarzellen-Typs gerne von einem neuen Wirkungsgrad-Weltrekord, der auch Ansporn für Forscher sein soll, den Wirkungsgrad der Zelle weiter zu steigern.

Solarzellen aus Silizium, die in mehr als 90 Prozentaller installierten Solar-Anlagen weltweit zu finden, gelten hinsichtlich des mit ihnen in der Praxis erreichbaren Wirkungsgradpotenzials als nahezu ausgeschöpft. Selbst neueste Solarzellen aus Silizium erreichen nur noch geringfügige Verbesserungen um etwa einen Wirkungsgrad von 25 Prozent. Demgegenüber bieten sie mit rund 0,34 Euro pro Watt jedoch immer noch eines der besten Preis-Leistungsverhältnisse.

Dünnschicht-Solarzellen, basierend auf Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS), die zum Teil nur ein Hundertstel der Dicke von Siliziumzellen aufweisen, was Material und Kosten spare, könnten dagegen eine enorme Entwicklung ihrer Wirkungsgrade vorzeigen: Sowohl Cadmium-Tellurid- als auch CIGS-Zellen erreichen (im Labor) Wirkungsgrade von bis zu 23 Prozent. Dünnschichtzellen weisen einen Marktanteil von rund zehn Prozent auf.

Während Perowskit-Solarzellen, also Solarzellen mit einer kubischen Kristallstruktur, noch vor wenigen Jahren einen Wirkungsgrad von gerade mal 2 Prozent erreichten, konnten Forschungsbemühungen den Wirkungsgrad dieses Solarzellentypes in vergleichsweise kurzer Zeit deutlich erhöhen. 2016 wurden bereits Wirkungsgrade von 22 Prozent für Perowskit-Zellen realisiert, die zudem günstiger und einfacher herzustellen seien als Silizium-Zellen. Bei Massenproduktion geht man hier langfristig von Preisen von unter 0,10 Euro pro Watt aus. Aber: Teilweise enthalten Perowskit-Solarzellen jedoch giftiges Blei.

Quantenpunkt-Solarzellen sind Solarzellen, die Quantenpunkte nutzen. In der Herstellung lassen sich die Partikel ähnlich auf Oberflächen aufbringen wie ein Farbstoff. Ihr unter Laborbedingungen erreichte Wirkungsgrad (Stand: Juli 2016) beträgt 10,6 %.

Nach Meinung der meisten Forscher befinden sich Quantenpunkt-Solarzellen noch in einem Frühstadium ihrer Entwicklung. Dennoch gibt es immer wieder vielversprechende Entwicklungen, die den Wirkungsgrad dieser Solarzellen deutlich ansteigen ließ.

So erreichten Quantentöpfe-Solarzellen sogar einen Wirkungsgrad von rund 45%. Ihnen wird überdies ein hohes Kostensenkungspotenzial zugesprochen, sie könnten demnach deutlich preiswerter als Silizium-Zellen hergestellt werden.

Der Wirkungsgrad der Solarzelle kann nicht als Anhaltspunkt dienen, wie hoch der Wirkungsgrad eines ganzen Solarmoduls ist. Denn das Modul besteht aus einer Vielzahl von Solarzellen und weiteren technisch Komponenten wie u.a. einem Einscheiben-Sicherheitsglas, einer transparenten Kunststoffschicht, einer Rückseitenkaschierung und einem Aluminiumprofil, die je nach Konstruktion den Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigen.

Demgegenüber kann die Art der Antireflexschicht, die für das typische Erscheinungsbild von Solarmodulen in ihrer bläulichen bis schwarzen Farbe sorgt, den Wirkungsgrad wiederum erhöhen, da mehr Licht eingefangen, d.h. absorbiert wird.

Während multikristalline Siliziumzellen heute Wirkungsgrade von 21,3 Prozent erreichen, kommen CIGS-Solarzellen inzwischen schon auf 22,3 Prozent. Bei den Modul-Wirkungsgraden ist die Silizium-PV nur noch geringfügig besser, die beiden Technologien liegen mit 15 bis 17 Prozent Effizienz nah beieinander.