Photovoltaik Wirkungsgrad: Wie hole ich am meisten aus der Sonne raus?

Moderne Solarmodule wandeln etwa 20 Prozent der Sonnenenergie in Strom um. Diese Kennzahl beeinflusst die Rentabilität jeder Photovoltaik-Anlage und zeigt, wie gut eine Solarzelle das Sonnenlicht nutzt. Je höher der Wert, desto mehr Ertrag liefert die Anlage pro Quadratmeter Dachfläche.

Was bedeutet Photovoltaik-Wirkungsgrad?

Der Photovoltaik-Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie eine Solarzelle in Strom verwandelt. Diese Zahl verrät, wie viel der verfügbaren Energie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel:

Wirkungsgrad = (erzeugte elektrische Leistung ÷ eingestrahlte Sonnenleistung) × 100

Ein Praxisbeispiel: Bei 1000 Watt pro Quadratmeter Einstrahlung und 22 Prozent Effizienz liefert eine Solarzelle 220 Watt Strom. Die restlichen 780 Watt gehen als Wärme verloren. Labortests laufen unter Standardbedingungen ab: 1000 Watt pro Quadratmeter, 25 Grad Celsius Zelltemperatur und definierter Lichtverteilung. Diese Normbedingungen ermöglichen den direkten Vergleich verschiedener Module.

Modul- vs. Systemwirkungsgrad

Der Modulwirkungsgrad bezieht sich ausschließlich auf das Solarmodul selbst. Er wird unter optimalen Laborbedingungen gemessen und steht auf dem Datenblatt des Herstellers. Der Systemwirkungsgrad umfasst dagegen die gesamte Anlage und berücksichtigt alle auftretenden Verluste im Betrieb:

• Wechselrichterverluste: 2–5 Prozent
• Kabelverluste: 1–3 Prozent
• Verschmutzungsverluste: 2–5 Prozent
• Temperaturverluste: 5–15 Prozent

Eine Anlage mit 22 Prozent Modulwirkungsgrad erreicht in der Praxis oft nur 18–20 Prozent Systemwirkungsgrad. Diese Differenz sorgt dafür, dass die tatsächliche Stromproduktion niedriger ausfällt als zunächst erwartet. Deshalb sollte man bei der Planung immer vom Systemwirkungsgrad ausgehen.

Technologien im Vergleich

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Module gelten als effizienteste Lösung für Privathaushalte. Sie bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und sehen fast schwarz aus. Die Herstellung läuft über das Ziehen großer Siliziumkristalle, was die Module teurer macht als andere Typen.

Leistungsdaten:

• Effizienz: 21–23 Prozent bei gängigen Modulen
• Einzelne Zellen: bis zu 26 Prozent
• Höchste Energieausbeute pro Quadratmeter
• Lebensdauer: über 25 Jahre
• Geringer Platzbedarf

Diese Technologie funktioniert auch bei schwachem Licht noch gut. Bei Hitze verlieren monokristalline Module weniger Leistung als polykristalline Varianten. Viele Premium-Hersteller setzen auf diese Technik, besonders wenn wenig Dachfläche zur Verfügung steht.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Module bestehen aus vielen kleinen Kristallen. Sie schimmern bläulich und kosten weniger als monokristalline Module. Der Produktionsprozess ist einfacher und verschwendet weniger Silizium.

Eigenschaften:

• Effizienz: 17–20 Prozent
• Günstigere Herstellung
• Höhere Temperaturempfindlichkeit
• Geeignet für große Dächer mit viel Platz

Die unregelmäßige Kristallstruktur sorgt für mehr Widerstand und etwas weniger Effizienz. Polykristalline Module reagieren stärker auf Hitze und verlieren bei heißem Wetter mehr Leistung. Viele Hersteller stellen die Produktion dieser Module zugunsten effizienterer Alternativen ein.

Dünnschicht- und CIGS-Module

Dünnschichtmodule erreichen 6–10 Prozent Wirkungsgrad. Sie bestehen aus Materialien wie amorphem Silizium oder Cadmiumtellurid. CIGS-Module nutzen Kupfer, Indium, Gallium und Selen und schaffen bis zu 15 Prozent.

Vorteile:

• Gut bei diffusem Licht
• Flexibel und leicht
• Oft günstiger in der Anschaffung

Nachteile:

• Brauchen deutlich mehr Fläche
• Kürzere Lebensdauer (nach 20 Jahren oft nur noch 70% Leistung)
• Für die gleiche Leistung fast doppelt so viel Platz nötig

Diese Technik eignet sich für spezielle Anwendungen. Gebäudeintegrierte Photovoltaik nutzt gerne flexible Dünnschichtmodule, da sie sich an gebogene Flächen anpassen lassen.

Technologievergleich

Zukunftstechnologien

Forschende arbeiten an neuen Technologien mit deutlich höherem Wirkungsgrad. Perowskit-Silizium-Tandemzellen kombinieren verschiedene Materialien in Schichten. Jede Schicht nutzt einen anderen Teil des Sonnenlichts. Die obere Perowskit-Schicht fängt das blaue Licht ab, während die untere Siliziumschicht das rote und infrarote Licht verwertet.

Im Labor erreichen diese Zellen bereits über 30 Prozent Effizienz und kosten weniger als reine Siliziumzellen. Allerdings sind sie im Handel noch kaum zu finden. Heterojunction-Zellen bestehen aus verschiedenen Siliziumschichten und schaffen schon jetzt bis zu 26 Prozent bei gleichzeitig günstigerer Produktion.

Bifaziale Module fangen Licht von beiden Seiten ein und erzeugen dadurch 10–30 Prozent mehr Strom als einseitige Module. Konzentrator-Photovoltaik bündelt Sonnenlicht auf kleine, leistungsstarke Zellen und knackt manchmal sogar die 40-Prozent-Marke beim Wirkungsgrad.

Einflussfaktoren auf die Leistung

Sonneneinstrahlung und Ausrichtung

Die Menge an Sonnenlicht beeinflusst direkt die Stromproduktion einer Photovoltaik-Anlage. Je mehr Sonne auf die Module trifft, desto höher fällt der Ertrag aus. Die Ausrichtung zählt enorm: Module, die nach Süden zeigen, fangen am meisten Licht ein.

Ost-West-Ausrichtungen haben aber auch Vorteile – etwa, wenn morgens oder abends viel Strom gebraucht wird. Den Neigungswinkel der Solarmodule wählt man so, dass der Wirkungsgrad möglichst hoch bleibt. In Deutschland liegt der ideale Winkel meist zwischen 30 und 35 Grad.

Der Standort macht einen echten Unterschied. Bayern bekommt mehr Sonnenstunden als Norddeutschland. Trotzdem arbeiten Anlagen im Norden wirtschaftlich genug, dass sich die Investition lohnt.

Optimale Bedingungen:

• Südausrichtung (180°)
• Neigung 30–35°
• Keine Hindernisse am Horizont
• Sonnenscheindauer über 1.400 Stunden pro Jahr

Temperatureffekte

Hohe Temperaturen drücken den Wirkungsgrad von Solarmodulen merklich. Pro Grad über 25°C verlieren kristalline Module etwa 0,4 Prozent Leistung. An richtig heißen Tagen können Module locker 60 bis 70°C erreichen. Das kostet dann bis zu 15 Prozent Ertrag gegenüber kühlen Tagen mit gleicher Sonneneinstrahlung.

Temperaturverluste nach Modultyp:

Gute Belüftung hilft enorm. Aufgeständerte Module haben mehr Luftzirkulation und bleiben kühler als dachnahe Systeme. Hinterlüftete Module arbeiten 5–10 Grad kühler und liefern entsprechend mehr Ertrag. Die beste Leistung bringen Module bei 10–15°C und voller Sonne.

Verschattung und Verschmutzung

Schon kleine Schatten durch Bäume, Schornsteine oder Nachbarhäuser können die Leistung stark verringern. Ein verschattetes Modul bremst oft die gesamte Modulreihe aus, da die Module meist in Reihe geschaltet sind.

Staub, Pollen und Vogelkot setzen sich auf Solarmodulen ab und mindern die Leistung. Schon eine dünne Staubschicht kann 5–10 Prozent weniger Strom bedeuten. Regelmäßige Reinigung bringt die Module wieder auf Trab. In staubigen Regionen oder bei starker Verschmutzung lohnt sich das ein- bis zweimal pro Jahr.

Degradation und Wartung

Mit zunehmendem Alter sinkt der Wirkungsgrad von Solarmodulen. Hochwertige Module verlieren etwa 0,5–0,7 Prozent Leistung pro Jahr. Nach 20 Jahren bringen sie meist noch rund 85 Prozent der Anfangsleistung. Billigere Module bauen schneller ab – hier sollte man nicht sparen.

Zur Wartung gehört auch, die Verkabelung und Befestigungen zu prüfen. Lose Kabel oder defekte Verbindungen kosten Ertrag und können im schlimmsten Fall zu Ausfällen führen.

Wechselrichter und Performance Ratio

Moderne Photovoltaik-Wechselrichter erreichen Wirkungsgrade um 98 Prozent. Alte Geräte laufen oft weniger effizient und sollten ausgetauscht werden. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Module in Wechselstrom um. Seine Effizienz wirkt sich direkt auf die Gesamtleistung der Anlage aus.

Die Performance Ratio (PR) zeigt, wie gut eine Anlage unter echten Bedingungen läuft. Sie berücksichtigt alle Verluste durch Temperatur, Verschattung und Technik.

Performance Ratio Werte:

Moderne String-Wechselrichter holen oft mehr heraus als zentrale Geräte. Leistungsoptimierer helfen bei teilweiser Verschattung und verbessern den Gesamtertrag der Anlage.

Wirtschaftlichkeit

Flächennutzung und Ertrag

Module mit hohem Wirkungsgrad benötigen weniger Platz für die gleiche Leistung. Eine Anlage mit 22 Prozent Effizienz liefert auf 20 Quadratmetern etwa 4.400 Kilowattstunden jährlich. Bei 18 Prozent Wirkungsgrad sind es nur 3.600 kWh – ein Unterschied von 800 kWh pro Jahr.

Die Mehrkosten für bessere Module amortisieren sich durch den höheren Ertrag oft innerhalb weniger Jahre. Weniger Module bedeuten auch geringere Installationskosten und weniger Material.

Beispielrechnung für 30 m² Dachfläche:

Eigenverbrauch und Einsparung

Mit höherem Wirkungsgrad steigt der Eigenverbrauch deutlich. Mehr eigener Strom bedeutet weniger teuren Netzstrom vom Versorger. Eine Familie mit etwa 4.000 kWh Jahresverbrauch deckt mit 22-Prozent-Modulen rund 60 Prozent selbst ab. Bei 18 Prozent Wirkungsgrad sind es nur 45 Prozent.

Jede selbst erzeugte Kilowattstunde spart etwa 30 Cent gegenüber dem Netzbezug. Die Amortisationszeit verkürzt sich dadurch um ein bis zwei Jahre. Über einen Zeitraum von 20 Jahren spart eine Familie mit effizienten Modulen bis zu 3.000 Euro an Stromkosten.

Standortabhängigkeit

In sonnenarmen Regionen zählt jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad besonders. Gerade Nord- und Ostdächer profitieren von effizienten Modulen, da sie weniger direkte Sonneneinstrahlung erhalten. Kleine Anlagen unter 10 kWp brauchen jeden Zentimeter Dachfläche – hier lohnen sich Premium-Module besonders.

Standortvergleich (10 kWp Anlage):

Große Anlagen über 30 kWp funktionieren auch mit Standard-Modulen wirtschaftlich. Die niedrigeren Modulpreise gleichen den geringeren Wirkungsgrad aus, wenn ausreichend Fläche vorhanden ist.

Häufig gestellte Fragen