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Wirkungsgrade von Solarzellen im Vergleich

Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle und wie wird er berechnet? Welchen Wirkungsgrad haben klassische Solarzellen aus Silizium? Welcher Solarzellentyp hat derzeit den höchsten, welcher den niedrigsten Wirkungsgrad?

Forscher auf der ganzen Welt suchen derzeit nach Lösungen, um die zur Verfügung stehende elektromagnetische Strahlung der Sonne effizient in nutzbaren Strom umzuwandeln. Dabei geht es ihnen vor allem darum, Solarzellen zu entwickeln, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben und zudem auch noch bezahlbar in ihrer Herstellung sind. Wir erklären hier, was man unter dem Wirkungsgrad einer Solarzelle versteht und welche Faktoren ihn beeinflussen. Zudem finden Sie hier die Wirkungsgrade und -Rekorde unterschiedlicher Solarzellen-Typen.

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Definition des Wirkungsgrades einer Solarzelle

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 Pelektrisch und der Leistung der einfallenden Sonnenstrahlung PLicht. Die entsprechende Formel sähe dann so aus:

η = Pelektrisch / PLicht

p-n-Übergang

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.

Elektronenfluss

Während die negativ geladenen Elektronen Richtung Oberfläche der Solarzelle zu den Leiterbahnen wandern, bewegen sich die positiv geladenen Löcher zugleich zum rückseitigen Kontakt der Solarzelle. Da sich beide Ladungen, negative und positive anziehen, wegen der Grenzschicht aber nicht direkt zueinander gelangen, nehmen die Elektronen den „Umweg“ über die angeschlossene Leitung, wobei sie einen elektrischen Strom erzeugen: den Solarstrom.

Entscheidend für die Energie, die man pro angeregtem Elektron gewinnen kann, ist dabei die Größe der Bandlücke des Halbleiters. Unabhängig davon, wie weit das Elektron über die untere Kante des Leitungsbandes angeregt wird, erhält man pro Elektron maximal die Energie der Bandlücke als elektrische Energie. Bei normalem, unkonzentriertem Sonnenlicht ergibt sich so ein maximaler Wirkungsgrad von etwa 33.2%.

Als Bandlücke (Bandabstand bzw. verbotene Zone) wird der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband definiert die Klassifizierung nach Leitern, Halbleitern und Isolatoren. (Grafik: energie-experten.org)
Als Bandlücke (Bandabstand bzw. verbotene Zone) wird der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband definiert die Klassifizierung nach Leitern, Halbleitern und Isolatoren. (Grafik: energie-experten.org)

Maximaler Wirkungsgrad

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 16 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.

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Wettkampf um den höchsten Zell-Wirkungsgrad

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.

State Key Laboratory of PV Science and Technology (SKL PVST) in China (Bildquelle: Trina Solar)
Ein Forschungsteam des State Key Laboratory of PV Science and Technology (SKL PVST) in China hat 2019 eine bifaciale Solarzelle mit einem Wirkungsgrad (Gesamtzelleffizienz) von 23,22% entwickelt. Das Ergebnis wurde von dem unabhängigen Institut für Solarenergieforschung (ISFH CalTeC) in Deutschland bestätigt. (Bildquelle: Trina Solar)
Tabelle 1: Chronologie ausgewählter Wirkungsgrad-Weltrekorde von Solarzellen
Datum Wirkungsgrad Weltrekordhalter Solarzelle Besonderheiten
26.11.2019 23,22% State Key Laboratory of PV Science and Technology (SKL PVST) (Trina Solar Co., Ltd.) bifaciale n-Typ Mono-Silizium-Solarzelle Gegossene Solarzelle auf einem großflächigen, mit Phosphor versetzen Monoguss-Si-Substrat (i-TOPCon-(Industrial Tunnel Oxide Passivated Contact)-Technologie)
15.06.2018 25,20% HZB, Universität Oxford und Oxford PV - The Perovskite Company Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle Optimierung der high-efficiency Silizium-Heterojunction-Bottomzelle und optische Anpassung der Topzelle mittels einer spezifischen SiOx Zwischenschicht
03.04.201833,30%Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, EVGMehrfachsolarzelle auf SiliciumWenige µm Mikrometer dünne Halbleiterschichten aus III-V-Verbindungshalbleitern wurden auf eine Siliciumsolarzelle aufgebracht. Das sichtbare Licht wird in einer ersten Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert, das nahe Infrarotlicht in Galliumarsenid und längerwelliges Licht schließlich in Silicium.
24.10.2017 22,71% LONGi Green Energy Technology Co., Ltd. Monokristalline PERC-Zelle Serienreife Solarzelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite
20.03.2017 26,60% Kaneka Corporation (Japan) Monokristalline Silizium-Solarzelle Reduzierung der Rekombination der Ladungsträger durch Heteroübergänge aus amorphen Silizium, Anordnung der elektrischen Kontakte ausschließlich auf der Zellrückseite, Vorderseitenbeschichtung mit Antireflexionsschicht
27.09.2016 17,80% KIT, ZSW, imec Tandem-Solarzelle aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten Semitransparentes oberes Perowskit-Solarmodul absorbiert besonders effizient den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums, während die untere CIGS-(Kupfer-Indium-Gallium-Selenid)-Schicht eher die infraroten Anteile umwandelt.
15.06.2016 22,60% ZSW Dünnschicht-Solarzelle auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Der aktuelle Rekord wurde durch Verbesserungen an mehreren Stellen des Produktionsprozesses erzielt, u.a. durch die Optimierung des Alkali-Nachbehandlungsprozesses der CIGS-Oberfläche.
24.02.2016 22,10% First Solar, Inc. (FSLR) Dünnschicht-Solarzelle auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) Weltrekord wurde unter Anwendung von Prozessen und Materialien, die für die kommerzielle Serienproduktion geeignet sind, erreicht.
08.02.2016 13,20% Heliatek GmbH Organische Multi-Stack Solarzelle Optimierung der Zell-Architektur durch Ausnutzung einer Vakuumdeposition kleiner Absorbermoleküle auf PET-Film
15.09.2015 25,10% Fraunhofer ISE Beidseitig kontaktierte Siliciumsolarzelle Die Besonderheit ist ein neues Rückseitenkonzept, das es erlaubt, den Kontakt auf der Solarzellenrückseite ganzflächig und strukturierungsfrei aufzubringen.
24.02.2015 21,00% ZSW CIGS-Solarzelle ohne Cadmium in der Pufferschicht Die Steigerung des Wirkungsgrades resultiert daraus, dass Zinkoxidsulfid als Pufferschicht eine gesteigerte Lichtdurchlässigkeit im blauen Wellenlängenbereich aufweist. Als Folge kann mehr Sonnenlicht auf die darunter liegende CIGS-Absorberschicht treffen, die dann mehr Energie in Strom umwandelt.
01.12.2014 46,00% Soitec, CEA Leti, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Konzentrierende Vierfachsolarzelle auf Basis von III-V-Halbleiterverbindungen Eine besondere Herausforderung, die bei dieser Zelle erfolgreich gelöst wurde, liegt in der gleichmäßigen Verteilung der Photonen auf die vier Teilzellen. Dies haben die Forscher durch die genaue Anpassung der Materialzusammensetzung und Dicke jeder einzelnen Halbleiterschicht in der Solarzelle erreicht.
23.09.2014 21,70% ZSW, Manz AG CIGS Dünnschicht-Solarzelle Die CIGS-Solarzelle wurde in einer Laborbeschichtungsanlage mit Hilfe eines Koverdampfungsverfahrens hergestellt, einer Technologie, die gemeinsam von Manz und dem ZSW weiterentwickelt und patentiert wurde.
16.09.2014 45,00% Verbundprojekt Nano-III-V-pins Einfach-Solarzelle mit Quantentopfsystem Nanoskalige Solarzellen mit Quantentopfstruktur in einem 2D-Schichtsystem
30.04.2013 37,90% Sharp Corporation, New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Tokio, Japan) Triple-Junction-Solarzelle Optimierung der Indium-Gallium-Arsenid-Basis in einer dreischichtigen Solarzelle mit einer Deckschicht aus Indium-Gallium-Phosphid und einer mittleren Schicht aus Gallium-Arsenid.

Der Wirkungsgrad wird dabei durch unabhängige Solarzellenmessungen unter Standard-Testbedingungen ermittelt. Zu den weltweit offiziell anerkannten Messinstituten zählt u.a. das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan.

Eine sehr genaue Dokumentation der Wirkungsgrad-Weltrekorde wird auch vom amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) vorgenommen. Eine offizielle Aufnahme im "Best Research-Cell Efficiencies" gilt dabei mittlerweile als Ritterschlag unter den Solarzellen-Forschern und dient als offizielle Anerkennung, das ein Weltrekord-Wirkungsgrad vorliegt.

Das NREL in USA dokumentiert die Entwicklung des Wirkungsgrades von Solarzellen-Typen in "Best Research-Cell Efficiencies". (Grafik: National Renewable Energy Laboratory (NREL))
Das NREL in USA dokumentiert die Entwicklung des Wirkungsgrades von Solarzellen-Typen in "Best Research-Cell Efficiencies". (Grafik: National Renewable Energy Laboratory (NREL))

Wirkungsgrad von Solarzellentypen im Vergleich

Siliziumzellen

Solarzellen aus Silizium, die in mehr als 90 Prozent aller 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.

Dünnschichtzellen

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.

Perowskit-Solarzelle

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.

Die Pero-CIGS-Tandemzelle kombiniert die Halbleitermaterialien Perowskit und CIGS und erreicht damit einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26 Prozent. (Grafik: HZB)
Ein Team um Prof. Steve Albrecht aus dem HZB erreichte einen neuen Weltrekord für eine Tandem-Solarzelle. Die Pero-CIGS-Tandemzelle kombiniert die Halbleitermaterialien Perowskit und CIGS und erreicht damit einen zertifizierten Wirkungsgrad von 23,26 Prozent. (Grafik: HZB)

Quantenpunkt-Solarzellen

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.

Organische Solarzellen

Eine organische Solarzelle ist eine Solarzelle, die aus u.a. Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Werkstoffen der organischen Chemie besteht,. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 13 % und damit noch weit unterhalb dessen von Solarzellen aus anorganischem Halbleitermaterial.

Auch ihr weiteres Potenzial, einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, wird als hoch eingestuft. Da sie aus organischen Verbindungen bestehen, sehen Experten in organischen Solarzellen eine Lösungsmöglichkeit, Rohstoff-Engpässe bei der herrkömmlichen Produktion von Solarzellen umgehen/ vermeiden zu können.

Die Heliatek GmbH erreichte 2016 mit einer organischen Multi-Stack Solarzelle einen Wirkungsgrad von 13,2% durch die Optimierung der Zell-Architektur unter Ausnutzung einer Vakuumdeposition kleiner Absorbermoleküle auf PET-Film. (Foto: Heliatek GmbH)
Die Heliatek GmbH erreichte 2016 mit einer organischen Multi-Stack Solarzelle einen Wirkungsgrad von 13,2% durch die Optimierung der Zell-Architektur unter Ausnutzung einer Vakuumdeposition kleiner Absorbermoleküle auf PET-Film. (Foto: Heliatek GmbH)

Mehrfachsolarzellen

Großes Potenzial weisen auch Mehrfachsolarzellen auf, die ähnlich wie ein Sandwich aus verschiedenen Materialien bestünden, darunter Perowskiten, Silizium oder Dünnschichtzellen. Jede Schicht absorbiere demnach einen bestimmten Wellenbereich des Sonnenlichts.

So holten die Mehrfachsolarzellen deutlich mehr Energie aus derselben Fläche heraus als ihre Konkurrenten. Den rekordhaltenden Wirkungsgrad von 46% haben vorerst 2014 deutsch-französische Forscher mit einer aus vier unterschiedlichen Schichten bestehenden Solarzelle erreicht, auf die eine optische Linse außerdem noch das Sonnenlicht konzentriere.

Aber: In Mehrfachsolarzellen steckten auch Germanium-Substrate, die teuer seien. Hinzu käme noch der Nachteil, dass insbesondere die Zellen, die auf konzentriertes Sonnenlicht setzten, nur dort einsetzbar seien, wo viel direkte Sonne strahle, zum Beispiel in Südeuropa oder Nordafrika.

Diese konzentrierende Vierfach-Solarzelle auf Basis von III-V-Halbleiterverbindungen erreichte 2014 einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 46% auf einem 100 mm Wafer mit ungefähr 500 Konzentratorzellen. (Copyright: © Fraunhofer ISE / Foto: Alexander Wekkeli)
Diese konzentrierende Vierfach-Solarzelle auf Basis von III-V-Halbleiterverbindungen erreichte 2014 einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 46% auf einem 100 mm Wafer mit ungefähr 500 Konzentratorzellen. (Copyright: © Fraunhofer ISE / Foto: Alexander Wekkeli)

Experten-Wissen: Der Wirkungsgrad der Solarzelle unterliegt jauch Alterungsprozessen (Degradation). Diese wird derzeit auf etwa zehn Prozent in 25 Jahren beziffert. Daher geben die Hersteller häufig Garantien auf mindestens 80 Prozent der sogenannten Peak-Leistung nach 20 Jahren. Die Solarzellen degradieren jedoch nicht gleichmäßig. Häufig verlieren die Solarzellen bereits in den ersten Tagen 1 bis 2% Prozent ihres Wirkungsgrades.

Unterschiede zwischen Zell- und Modulwirkungsgrad

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.

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"Wirkungsgrade von Solarzellen im Vergleich" wurde am 26.11.2019 das letzte Mal aktualisiert.