Wie effektiv eine gesamte Photovoltaikanlage arbeitet, hängt im Wesentlichen vom Wirkungsgrad der Solarzellen, der Verkabelung und der Leistung des Wechselrichters ab. Zusammengefasst werden alle Werte in der sog. Performance Ratio.
Das ist eine Kennzahl, die in der Photovoltaikindustrie verwendet wird, um die Effizienz einer Solaranlage zu bewerten. Es ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich erzeugten Energie der Anlage und der theoretisch möglichen Energie, die bei optimalen Bedingungen erzeugt werden kann. Dieser Sollertrag berechnet sich aus der eingestrahlten Energie auf die Modulfläche und dem nominalen Modul-Wirkungsgrad.
Die Performance Ratio läge also im Jahresdurchschnitt bei 100 %, wenn die Photovoltaikanlage unter Standard-Testbedingungen bei optimaler Verkabelung und mit einem Wechselrichter ohne Verluste die Energiemenge erwirtschaftet, die die Summe aller Solarzellen theoretisch erzeugen könnten. Die Energieverluste durch Kabel und Wechselrichter liegen heute bei rund 5 %. Dies legt den Focus auf den aktuellen Wirkungsgrad von Solarzellen wirft. Gerade hier hat sich in den letzten Jahren einiges getan. Durch effizientere Technik konnte die Performance Ratio von Photovoltaikanlagen erheblich gesteigert werden. Lag sie in den 1980er Jahren bei 50 oder 60 %, liegt sie heute durchschnittlich bei 80 oder gar 85 %.
Wie funktionieren Solarzellen?
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um und besteht meist dem Halbleitermaterial Silizium. Wenn Photonen auf die Solarzelle treffen, setzen sie Elektronen frei und erzeugen auf diese Weise elektrischen Strom. Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten, die so angeordnet sind, dass sie das eintreffende Licht einfangen und effektiv nutzen können. Die Schichten werden typischerweise als n- und p-Schichten bezeichnet. Die n-Schicht ist ein Halbleitermaterial, das überschüssige Elektronen enthält, während die p-Schicht Elektronenlöcher enthält. Herkömmliche Solarzellen absorbieren das Sonnenlicht bis zu einer Wellenlänge von 1200 Nanometern und übertragen die Energie auf die Elektronen, die dann von der n-Schicht zur p-Schicht strömen.
Kommerzielle Solarzellen-Typen und Wirkungsgrade
Bei gewerblichen Photovoltaikanlegen werden heute üblicherweise monokristalline Siliziumzellen verbaut, die in der Serienproduktion einen Wirkungsgrad von 25 % erreichen. In Forschungszentren wurden unter Laborbedingungen im Jahre 2022 bei sog. Tandem-Solarzellen auch schon knapp 33 oder bei Vierfachsolarzellen sogar über 45 % erreicht. Möglich wird dies, indem weitere Schichten eingesetzt werden, die in einem Spektralbereich von 300-1780 Nanometern empfindlich sind. Durch diese neue Technologie wurde der jahrelang als Obergrenze anerkannte Wert von 33 % erstmals übertroffen.
Polykristalline Siliziumzellen sind in der industriellen Produktion günstiger und haben heute einen Wirkungsgrad von bis zu 20 %. Sie bestehen aus mehreren Kristalliten, die unterschiedlich ausgerichtet sind, haben eine unregelmäßige bläuliche Struktur und sind in der Regel etwas kleiner als monokristalline Solarzellen. Bei geringerer Sonneneinstrahlung erzeugen Polykristalline Siliziumzellen trotzdem Strom und sind daher auch für Standorte mit etwas schlechteren Lichtverhältnissen geeignet.
Amorphe Siliziumzellen oder Dünnschichtmodule bestehen aus einer dünnen Schicht amorphen Siliziums (a-Si) als aktives Halbleitermaterial und haben heute einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 13 %. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium, das aus regelmäßig angeordneten Atomen besteht, ist amorphes Silizium ungeordnet und hat eine höhere Defektdichte. Das bedeutet, dass es weniger effizient ist, Elektronen durch den Halbleiter zu transportieren. Sie haben den Vorteil, dass sie dünner und leichter sind als kristalline Silizium-Solarzellen und dass sie eine höhere Flexibilität aufweisen. Dadurch können sie in flexiblen Solarmodulen verwendet werden, die sich biegen und an ungewöhnliche Formen anpassen können.
Einflüsse, die den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinträchtigen
Zunächst ist die Degradation zu nennen, die den Wirkungsgrad von Solarzellen beeinträchtigt. Bei modernen kristallinen Solarmodulen wird nach etwa 20 Jahren eine Degradation von 10 % angegeben, sodass sie eine garantiert verbleibende Leistung von 90 % erreichen. Dagegen können Dünnschichtmodule durch die Degradation sogar bis zu 30 % ihrer Leistung im gleichen Zeitraum verlieren.
Ein weiterer wesentlicher Faktor für den Wirkungsgrad ist die Temperatur. Generell gilt: Je kälter, desto besser ist der Ertrag. Solarmodule heizen sich selbst an kalten deutschen Wintertagen bei Sonnenschein leicht auf und erreichen Temperaturen von 20° oder mehr. Trotz niedrigem Sonnenstand sind sie dann oft effektiver als eine vergleichbare Anlage in Äquatornähe. Der Wirkungsgrad sinkt nämlich beispielsweise bei monokristallinen Solarzellen pro Grad Celsius um 0,4 %. An heißen Sommertagen, an denen sich ein Panel schnell schon einmal auf 70° erhitzt, sind hier Verluste bis zu 20 % zu verzeichnen.
Logischerweise hat die Ausrichtung der Solarzellen auf den Wirkungsgrad ebenfalls einen großen Einfluss. Allerdings können die Solarmodule bei Dach-PV-Anlagen durch Aufständerung und bei Solarparks oder Solar-Carports durch optimale Montage in der Regel perfekt auf die Sonneneinstrahlung justiert werden. Diese sog. Azimuth-Berechnung passiert im Vorfeld einer PV-Anlagenplanung, bei der auch der Gesamtstromertrag ermittelt wird. Dabei werden ebenfalls mögliche Verschattungsfaktoren berücksichtigt.
Nicht zu unterschätzen ist jedoch der Einfluss von Verschmutzungen auf den Wirkungsgrad von Solarzellen. Bei einem Neigungswinkel von den in Deutschland üblichen 30-35° rechnet man je nach Störeinflüssen, wie Blätter, Nadeln, Staub, Ruß oder Vogelkot mit Verlusten von 2-3 %. Bei flacheren Anlagen, die sich nicht durch Regen oder Schnee selbst reinigen, kann der Wirkungsgrad schnell unter 90 % der Nennleistung sinken, sofern die Solarzellen nicht direkt gereinigt werden.
Flächeneffizienz im Verhältnis von Wirkungsgraden und Solarzellen-Typen
Die Größe einer Photovoltaikanlage sollte sich immer auch nach dem Verbrauch eines Unternehmens richten. Je mehr Strom selbst verbraucht wird, desto wirtschaftlicher ist sie. Je höher also der Stromverbrauch, desto sinnvoller ist es, mehr Solarmodule zu verbauen. Um die optimale Anzahl zu errechnen, wird der Verbrauch in Relation der zur Verfügung stehenden Fläche gesetzt. Dabei wird die Nennleistung einer PV-Anlage in kWp (Kilowatt Peak) oder MWp (Megawatt Peak) angegeben. Legt man die Wirkungsgrade der Solarzellen-Typen zugrunde, ergeben sich etwa folgende Flächenbedarfe:
Monokristalline Siliziumzellen pro kWp etwa 5 m²
Polykristalline Siliziumzellen pro kWp etwa 6 m²
Amorphe Siliziumzellen pro kWp etwa 16 m²
Diese Werte ergeben allerdings nur einen groben Anhaltspunkt, da bei jedem PV-Projekt unterschiedliche Voraussetzungen gelten. CUBE CONCEPTS verbaut beispielsweise meistens monokristalline Module auf Dachflächen in einer Größe von 100×180 cm. Diese haben heute eine maximale Nennleistung von über 420 W. Allerdings richtet sich die Auswahl der Module selbstverständlich nach der Art der geplanten Anlage, denn bei Photovoltaik auf Dachflächen müssen die jeweiligen Dachlastreserven berücksichtigt werden, so dass ggf. auch andere Modul-Typen zum Einsatz kommen können.
Ist der Wirkungsgrad von Solarzellen so stark gestiegen, dass Repowering Sinn ergibt?
Eine eindeutige Antwort auf diese Frage gibt es nicht und sollte zumindest bei PV-Anlagen, die älter als zehn Jahre sind, immer einmal neu kalkuliert werden. Repowering kann sinnvoll sein, wenn ältere Solarzellen durch Alterung oder Schäden ihre Leistungsfähigkeit verlieren oder eine Dachsanierung ohnehin ansteht. Die National Renewable Energy Laboratory (NREL) der USA hat zu den Wirkungsgraden von Solarzellen eine interaktive Grafik erstellt, die eine Übersicht der Wirkungsgradentwicklung der verschiedenen Solarzellen-Typen seit 1975 bis heute gibt. Sollte die Performance Ratio Ihrer Photovoltaikanlage zwischen 70 oder 75 % aufweisen, ist es sicherlich sinnvoll, mit den Energie-Experten von CUBE CONCEPTS Kontakt aufzunehmen und über den Austausch von Photovoltaik-Modulen oder Wechselrichtern nachzudenken.