Solarmodule und ihr Wirkungsgrad: Wie viel Power steckt wirklich in deinen Solarzellen?

Ein Solarmodul kann nie die gesamte Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Doch wie hoch ist der typische Wirkungsgrad und wie viel Potenzial steckt noch in der Entwicklung? Wir haben die Antworten. 

Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Wenn Licht auf eine Solarzelle trifft, dann wird darin Strom erzeugt. Allerdings kann auch die modernste Solarzelle nicht die gesamte Energie im Sonnenlicht nutzen, sondern nur einen Teil davon. Der Wirkungsgrad beschreibt, wie hoch dieser Anteil ausfällt – er ist also ein Maß für die Effektivität der Zelle.

Wenn ein PV-Modul beispielsweise einen Wirkungsgrad von 20 Prozent aufweist, kann es eben 20 Prozent der Sonnenenergie verstromen. Die restlichen 80 Prozent gehen durch verschiedene physikalische Prozesse verloren, beispielsweise als Wärme oder durch Reflexion. 

Der Wirkungsgrad in der Photovoltaik wird üblicherweise unter standardisierten Testbedingungen (englische Abkürzung: STC) ermittelt, um eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Modulen zu gewährleisten. Diese Bedingungen umfassen eine Bestrahlungsstärke von 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²), eine Zelltemperatur von 25 Grad Celsius und ein spezifisches Lichtspektrum (AM 1.5). Im tagtälichen Praxisbetrieb kann der Wirkungsgrad daher auch schwanken – etwa bei sehr hohen Temperaturen im Sommer.

Ein hoher Wirkungsgrad ist vor allem bei kleinen Dachflächen oder Balkonkraftwerken wichtig. Denn je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom bekommst du aus derselben Fläche – und die ist bekanntlich grenzt.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Die meisten derzeit erhältlichen Solarmodule für Privathaushalte haben einen Wirkungsgrad zwischen 20 und 22 Prozent. Monokristalline Solarzellen die heute mit Abstand am weitesten verbreitet sind, erreichen dabei die höchsten Werte. Polykristalline Zellen liegen ein ganzes Stück darunter, Dünnschichtmodule sogar noch mehr.

In der Theorie sind jedoch deutlich höhere Wirkungsgrade möglich und der Trend im kommerziellen Bereich geht zu 23 bis 25 Prozent. Doch in der Praxis begrenzen verschiedene physikalische und technische Faktoren, wie viel aus dem Sonnenlicht herauszuholen ist.

Warum ist der Wirkungsgrad von Solarzellen so gering?

Wenn man Solarmodule mit anderen elektrischen Systemen vergleicht, erscheinen Wirkungsgrade bei um die 20 Prozent gerade zu mager. Schließlich geht rund vier Fünftel der Energie verloren…

Das liegt vor allem an physikalischen Grenzen. Ein Hauptgrund ist das breite Spektrum des Sonnenlichts. Solarzellen können nur Photonen mit einer bestimmten Energie (Wellenlänge) effizient nutzen. Photonen mit zu geringer Energie erzeugen keinen Strom, während Photonen mit zu viel Energie einen Teil ihrer Energie als Wärme abgeben, anstatt zur Stromerzeugung beizutragen. Dies ist durch die sogenannte Bandlücke des Halbleitermaterials – in der Regel Silizium – bedingt.

Weitere Verluste entstehen durch Reflexion des Lichts an der Moduloberfläche, obwohl spezielle Antireflexbeschichtungen dies minimieren. Auch innerhalb der Zelle kommt es zu elektrischen Widerständen und Rekombinationsverlusten, bei denen sich erzeugte positive und negative Ladungsträger wieder neutralisieren, bevor sie als Strom abfließen können. Hinzu kommt, dass der Wirkungsgrad temperaturabhängig ist: Steigt die Temperatur der Solarzelle, sinkt in der Regel ihr Wirkungsgrad. All diese Faktoren summieren sich und begrenzen die praktische Effizienz.

Wie hoch kann der Wirkungsgrad noch steigen?

Die theoretische Grenze für den Wirkungsgrad einer einzelnen Silizium-Solarzelle, bekannt als Shockley-Queisser-Limit, liegt bei etwa 33,7 Prozent. Theoretisch könnte man auch Wirkungsgrade bis zu 41 Prozent erreichen, wenn das Licht mit einer Linse maximal auf die Solarzelle fokussiert werden könnte. 

Ein vielversprechender Ansatz, um ihn noch weiter zu steigern, sind Mehrfachsolarzellen (Tandem- oder Dreifachzellen). In ihnen werden verschiedene Halbleitermaterialien übereinander geschichtet. Jede Schicht ist dabei auf einen anderen Teil des Lichtspektrums optimiert, wodurch insgesamt mehr Energie genutzt werden kann. Hier können theoretisch Wirkungsgrade bis zu 66 Prozent erreicht werden.

Was ist der höchste Wirkungsgrad, der je erreicht wurde?

Für die Beantworung dieser Frage muss man klar zwischen Laborbedingungen und kommerzieller Produktion unterscheiden. Im Labor, oft mit konzentriertem Sonnenlicht und auf kleinsten Zellflächen, werden regelmäßig neue Spitzenwerte erzielt, die weit über dem liegen, was du heute kaufen kannst.

So hat beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE bereits im Mai 2022 Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 47 Prozent unter konzentriertem Licht demonstriert (Quelle: Fraunhofer ISE). Auch Perowskit-Silizium-Tandemzellen haben im Labor schon die 30-Prozent-Marke deutlich überschritten. Über eine Forschungsinitiative zu Perowskit-Solarzellen hat PV Insider bereits berichtet.

Für den Alltag auf dem Dach oder Balkon sind solche Zellen nicht wirtschaftlich. Aber sie zeigen, welches Potenzial in der Technologie steckt. Für dich als Käufer eines Balkonkraftwerks oder einer PV-Anlage sind jedoch die Wirkungsgrade relevant, die in der Serienproduktion zu vertretbaren Kosten realisiert werden können. Und auch hier gibt es Premium-Module, die an der 23-Prozent-Marke kratzen.

Ist der Wirkungsgrad beim Kauf eines Balkonkraftwerks oder einer PV-Anlage überhaupt wichtig?

Der Wirkungsgrad ist definitiv ein wichtiger Faktor, aber er sollte bei der Modulauswahl für die Photovoltaikanlage nicht das alleinige Entscheidungskriterium sein. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass du auf einer gegebenen Fläche mehr Strom erzeugen kannst. Das ist besonders dann entscheidend, wenn dir nur eine begrenzte Dach- oder Balkonfläche zur Verfügung steht. Mit effizienteren Modulen kannst du deine verfügbare Fläche optimal ausnutzen und so deinen Energieertrag maximieren.

Allerdings gehen Module mit Spitzenwirkungsgraden oft auch mit einem höheren Preis einher. Hier gilt es, eine sorgfältige Kosten-Nutzen-Abwägung zu treffen. Ist die zusätzliche Investition den Mehrertrag über die Lebensdauer der Anlage wert? Manchmal kann es sinnvoller sein, etwas mehr Fläche mit Modulen eines guten Standardwirkungsgrades zu belegen, falls der Platz vorhanden ist und das Budget begrenzt ist.

Weitere wichtige Aspekte neben dem Wirkungsgrad sind die Qualität und Zuverlässigkeit des Moduls, die Garantieleistungen des Herstellers (Produkt- und Leistungsgarantie), der Temperaturkoeffizient (wie stark die Leistung bei Erwärmung sinkt), die Langlebigkeit und die Degradation über die Jahre. Auch das Schwachlichtverhalten kann relevant sein, also wie gut das Modul bei bewölktem Himmel oder in den Morgen- und Abendstunden arbeitet. Für Balkonkraftwerke, wo oft nur ein oder zwei Module Platz finden, kann ein hoher Wirkungsgrad jedoch besonders attraktiv sein, um einen Tick mehr Ökostrom aus der kleinen Anlage herauszuholen.

Wie wird der Wirkungsgrad einer Solarzelle ermittelt?

Die Ermittlung des Wirkungsgrads von Solarzellen und -modulen folgt einem standardisierten Verfahren, um weltweit vergleichbare und verlässliche Werte zu erhalten. Dies geschieht unter den bereits erwähnten Standard Test Conditions (STC). Diese Laborbedingungen sind exakt definiert:

• Einstrahlung (irradiance): 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Dies simuliert die Sonneneinstrahlung an einem klaren Mittag.  
• Zelltemperatur (cell temperature): 25 Grad Celsius. Wichtig ist hier die Temperatur der Zelle selbst, nicht die Umgebungstemperatur.  
• Lichtspektrum (air mass, AM): AM 1.5. Dies entspricht dem Spektrum des Sonnenlichts, nachdem es die 1,5-fache Dicke der Erdatmosphäre durchquert hat, was typisch für mittlere Breitengrade ist.

Unter diesen Bedingungen wird die maximale elektrische Leistung des Moduls gemessen. Der Wirkungsgrad berechnet sich dann aus dieser maximalen Leistung geteilt durch die eingestrahlte Leistung.

Solche Standard-Testverfahren helfen beim Vergleichen von Solarmodulen, allerdings stellen sie selten die Realität dar. In der Praxis sind Module oft wärmer als 25°C und die Einstrahlung variiert stark. Daher gibt es auch andere Testbedingungen wie NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), die versuchen, realistischere Ertragsprognosen zu ermöglichen. Auf den Datenblättern der PV-Module findest du aber primär den STC-Wirkungsgrad.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad?

Der im Datenblatt angegebene Wirkungsgrad ist ein wichtiger Referenzwert, doch im realen Betrieb beeinflussen diverse Umwelteinflüsse die tatsächliche Effizienz. 

Temperatur

Einer der wichtigsten Faktoren ist die Temperatur. Solarzellen mögen es sonnig, aber kühl. Mit steigender Modultemperatur sinkt ihr Wirkungsgrad. Pro Grad Celsius über den STC-Wert von 25°C hinaus kann die Leistung um etwa 0,3 bis 0,5 Prozentpunkte abnehmen. An einem sehr heißen Sommertag kann ein Modul durchaus 60 bis 70°C erreichen.

Einstrahlungsstärke

Die Einstrahlungsstärke ist ebenfalls entscheidend. Zwar produzieren Module auch bei geringerer Einstrahlung Strom, aber der Wirkungsgrad ist bei optimaler Sonneneinstrahlung (um die 1000 W/m²) am höchsten. Verschattung, selbst teilweise, kann einen überproportional negativen Effekt haben, da sie nicht nur die betroffenen Zellen, sondern oft ganze Modulstränge beeinträchtigt. Moderne Module mit Bypass-Dioden können dies teilweise kompensieren. Der Verlust ist aktuell aber immer noch beträchtlich.

Verschmutzung

Verschmutzung durch Staub, Pollen, Vogelkot oder Laub kann die Lichtabsorption reduzieren und somit den Wirkungsgrad mindern. Regelmäßige Reinigung, oft schon durch Regen erledigt, kann hier Abhilfe schaffen. 

Alter

Auch das Alter des Moduls spielt eine Rolle, da alle Solarzellen einer gewissen Degradation unterliegen, auf die wir später noch genauer eingehen. Nicht zuletzt beeinflusst der Einfallswinkel des Sonnenlichts die Effizienz. Optimal ist ein senkrechter Lichteinfall.

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters

Wenn wir über den Wirkungsgrad einer Solaranlage sprechen, dürfen wir den Wechselrichter nicht vergessen. Er ist das Herzstück jeder PV-Anlage, denn er wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom (AC) um. Auch dieser Umwandlungsprozess ist mit Verlusten verbunden. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie viel Prozent der eingehenden Gleichstromleistung als Wechselstromleistung wieder herauskommen.

Moderne Wechselrichter erreichen sehr hohe Wirkungsgrade, oft zwischen 95 und über 98 Prozent. Der sogenannte „Europäische Wirkungsgrad“ ist dabei oft aussagekräftiger als der Maximalwirkungsgrad, da er die Effizienz bei verschiedenen Teillastzuständen gewichtet und somit die typischen Betriebsbedingungen in Europa besser abbildet. Die geringen Verluste im Wechselrichter sind zwar nicht direkt Teil des Modulwirkungsgrades, schmälern aber den Gesamtertrag deiner Anlage. Bei der Auswahl des Wechselrichters solltest du also auch auf dessen Effizienz achten, um das Optimum aus deinen Solarmodulen herauszuholen.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad nach 20 Jahren?

Erfreulicherweise sind Solarmodule sehr robuste und langlebige Produkte. Allerdings unterliegen sie einer natürlichen, geringfügigen Leistungsabnahme über die Jahre, die als Degradation bezeichnet wird. 

Typischerweise garantieren viele Hersteller nach 20 oder 25 Jahren noch etwa 80 bis 87 Prozent der ursprünglichen Nennleistung. Das bedeutet nicht, dass der Wirkungsgrad direkt um diesen Prozentsatz sinkt, sondern die abgegebene Leistung. Die Degradation ist im ersten Betriebsjahr oft etwas höher und verläuft danach meist relativ linear mit etwa 0,3 bis 0,7 Prozent Leistungsverlust pro Jahr. Hochwertige Module, insbesondere solche mit N-Typ-Zellen oder Glas-Glas-Aufbau, weisen oft geringere Degradationsraten auf.

Zudem geht es hier um Herstellergarantien, die in der Regel mindestens eingehalten werden. Sprich: Die Solarmodule verlieren maximal so viel Leistungsstärke – in der Praxis kann es aber gut sein, dass auch PV-Panels mit 25 Lebensjahren auf dem Buckel noch über 90 Prozent ihrer Nennleistung erreichen.

Performance Ratio: Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage

Wenn du wissen möchtest, ob deine Solaranlage effizient arbeitet, darfst du nicht nur auf den Wirkungsgrad der Solarmodule und des Wechselrichters achten. Dafür gibt es eine bessere Kenngröße: die sogenannte Performance Ratio (PR). Sie setzt den tatsächlichen Energieertrag deiner Anlage ins Verhältnis zum theoretisch möglichen Ertrag unter den gegebenen Einstrahlungsbedingungen und der Nennleistung der Module.

Die PR berücksichtigt alle Verluste, die im System auftreten: Dazu zählen neben dem Temperaturverhalten der Module und den Verlusten im Wechselrichter auch Leitungsverluste in den Kabeln, Verluste durch Verschattung (sofern nicht im theoretischen Ertrag schon berücksichtigt), Verschmutzung und eventuelle Systemausfälle. Eine gut geplante und installierte PV-Anlage erreicht typischerweise eine Performance Ratio von 75 bis 85 Prozent. 

Ein hoher PR-Wert zeigt, dass alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind und die Anlage generell effizient arbeitet. Sie ist somit ein viel umfassenderer Indikator für die Gesundheit und Effizienz deiner Solarstromerzeugung als der reine Modulwirkungsgrad.