Das Wichtigste in Kürze
Der Zellwirkungsgrad gibt an, welchen Anteil des auftreffenden Sonnenlichts eine einzelne Solarzelle in Strom umwandelt. Er wird im Labor unter genormten Bedingungen gemessen und liegt immer über dem Wirkungsgrad des fertigen Moduls. Für den Kauf einer Solaranlage zählt deshalb der Modulwirkungsgrad.
- Gemessen wird bei 1.000 Watt je Quadratmeter, 25 Grad Zelltemperatur und dem Spektrum AM 1,5 (Internationale Energieagentur, IEA-PVPS).
- Die physikalische Grenze für Siliziumzellen mit einer Schicht liegt bei 29,4 Prozent (Fraunhofer ISE).
- Im Labor wurden mit monokristallinem Silizium bereits 28,1 Prozent für die Zelle und 26,0 Prozent für das Modul erreicht (Fraunhofer ISE).
- Handelsübliche Module haben einen Wirkungsgrad von knapp 23 Prozent (Fraunhofer ISE).
- Je Grad Erwärmung verliert kristallines Silizium etwa 0,35 bis 0,43 Prozent Leistung (IEA-PVPS).
Was ist der Zellwirkungsgrad?
Der Zellwirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der elektrischen Leistung, die eine Solarzelle abgibt, und der Lichtleistung, die auf ihre Fläche trifft. Er wird in Prozent angegeben. Eine Zelle mit 24 Prozent Wirkungsgrad macht also aus knapp einem Viertel des Lichts Strom, der Rest wird zu Wärme oder zurückgeworfen.
Zellwirkungsgrad = elektrische Leistung der Zelle ÷ (Einstrahlung × Zellfläche) × 100
Ein Rechenbeispiel: Bei der genormten Einstrahlung von 1.000 Watt je Quadratmeter liefert eine Zelle mit 24 Prozent Wirkungsgrad 240 Watt je Quadratmeter Zellfläche. Eine einzelne Zelle mit einer Kantenlänge von 182 Millimetern hat rund 0,033 Quadratmeter und kommt damit auf knapp 8 Watt (eigene Rechnung mit angenommener Zellgröße).
Der Zellwirkungsgrad beschreibt nur die Zelle selbst, nicht das Modul und nicht die Anlage. Er zeigt, wie gut Material und Aufbau der Solarzelle das Licht ausnutzen. Wie viel davon auf dem Dach ankommt, entscheiden die folgenden Stufen.
Wie wird der Zellwirkungsgrad gemessen?
Der Zellwirkungsgrad wird unter Standard-Testbedingungen gemessen, abgekürzt STC. Ein Bericht des Photovoltaik-Programms der Internationalen Energieagentur (IEA-PVPS) beschreibt sie als einen einzigen Betriebspunkt: 1.000 Watt Einstrahlung je Quadratmeter, 25 Grad Zelltemperatur und das Lichtspektrum AM 1,5.
Das Kürzel AM 1,5 steht für die Zusammensetzung des Sonnenlichts, nachdem es einen genormten Weg durch die Atmosphäre zurückgelegt hat. Dieses Referenzspektrum ist in der Norm IEC 60904-3 festgelegt. Weil alle Labore dieselben Bedingungen verwenden, lassen sich Zellen verschiedener Hersteller vergleichen.
Auf dem Dach treffen diese Bedingungen selten zusammen. Die Einstrahlung ist meist geringer, und die Zellen werden in der Sonne deutlich wärmer als 25 Grad. Der Laborwert ist deshalb ein Vergleichsmaßstab und keine Zusage für den Alltag. Dasselbe gilt für die Nennleistung eines Moduls, die unter denselben Bedingungen ermittelt wird.
Zellwirkungsgrad und Modulwirkungsgrad: der Unterschied
Der Zellwirkungsgrad gilt für die einzelne Solarzelle, der Modulwirkungsgrad für das fertige Modul. Ein Modul besteht aus vielen Zellen hinter Glas, mit Abständen dazwischen und einem Rahmen außen herum. Diese Flächen erzeugen keinen Strom, zählen aber zur Modulfläche. Dazu kommen Verluste im Glas und in den elektrischen Verbindungen.
Wie groß der Abstand ist, zeigen die Laborbestwerte im Photovoltaics Report des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Für monokristallines Silizium stehen dort 28,1 Prozent für die Zelle und 26,0 Prozent für das Modul. Das sind 2,1 Prozentpunkte Unterschied.
Nach dem Modul folgt eine dritte Stufe: die Anlage im Betrieb. Das Fraunhofer ISE gibt den Wirkungsgrad handelsüblicher Module mit knapp 23 Prozent an, den tatsächlichen Wirkungsgrad neuer Anlagen im Betrieb aber nur mit rund 18 bis 19 Prozent. Die Differenz entsteht durch Wärme, Schmutz, Schatten, Kabel und Wechselrichter. Zusammengefasst wird sie in der Performance Ratio, die bei neuen Anlagen laut Fraunhofer ISE im Jahresmittel 80 bis 90 Prozent beträgt.
Wie hoch kann der Zellwirkungsgrad werden?
Für Solarzellen aus Silizium mit einer einzigen lichtaktiven Schicht liegt die physikalische Obergrenze bei 29,4 Prozent. Das Fraunhofer ISE bezeichnet diesen Wert als Auger-Limit. Der Grund liegt im Material: Silizium kann nur einen Teil des Sonnenspektrums gut verwerten, die übrige Energie wird zu Wärme.
Die besten Laborzellen sind dieser Grenze schon sehr nahe gekommen. Große Sprünge sind bei reinem Silizium deshalb nicht mehr zu erwarten. In der Serie ist der Wirkungsgrad der Module laut Photovoltaics Report innerhalb von zehn Jahren von rund 17 auf knapp 25 Prozent gestiegen.
Über die Grenze hinaus kommen nur Tandemzellen. Dabei liegt eine zweite Zelle auf dem Silizium, meist aus dem Material Perowskit. Die obere Zelle nutzt den energiereichen Teil des Lichts, die untere den Rest. Nach Angaben des Fraunhofer ISE sind so Wirkungsgrade von deutlich über 30 Prozent möglich. Mehr dazu steht im Beitrag über Perowskit-Solarzellen.
Welche Werte erreichen die Zelltechnologien?
Den höchsten Zellwirkungsgrad unter den Techniken für das Hausdach erreicht monokristallines Silizium. Es besteht aus einem einzigen, gleichmäßig aufgebauten Kristall. Laut Photovoltaics Report des Fraunhofer ISE entfallen rund 98 Prozent der weltweiten Modulproduktion auf Zellen aus Siliziumscheiben, fast alle davon monokristallin.
| Technologie | Im Labor erreicht | Einordnung |
|---|---|---|
| Monokristallines Silizium | 28,1 % | Standard auf dem Hausdach |
| Perowskit | 26,9 % | Forschung, als Tandempartner für Silizium |
| CIGS (Dünnschicht) | 23,4 % | Nische |
| Cadmiumtellurid (Dünnschicht) | 21,0 % | Vor allem große Solarparks |
| Perowskit-Silizium-Tandem | 35,2 % | Über der Grenze für reines Silizium |
| Mehrfachsolarzelle unter gebündeltem Licht | 47,6 % | Spezialanwendungen |
Die Tabelle zeigt Laborwerte auf kleinen Flächen, keine Werte aus der Serie. Serienzellen liegen darunter, weil in der Massenfertigung nicht jeder Schritt so genau gelingt wie im Labor.
Innerhalb der monokristallinen Zellen gibt es verschiedene Bauweisen. Lange war die PERC-Zelle der Standard. Der Photovoltaics Report nennt die Bauweise TOPCon als vorherrschend, bei der eine hauchdünne Zwischenschicht Verluste an den Kontakten verringert. Die Grundlagen erklären die Beiträge zu monokristallinen und polykristallinen Solarzellen sowie zu Dünnschichtmodulen.
Was beeinflusst den Zellwirkungsgrad?
Den Zellwirkungsgrad bestimmen zuerst Material und Aufbau der Zelle, im Betrieb dann vor allem die Temperatur. Der Laborwert gilt für 25 Grad. Jedes Grad darüber kostet Leistung.
Temperatur
Wie stark eine Zelle auf Wärme reagiert, beschreibt der Temperaturkoeffizient. Der IEA-PVPS-Bericht nennt für kristallines Silizium etwa minus 0,35 bis minus 0,43 Prozent je Grad. Erwärmt sich eine Zelle in der Sommersonne auf 65 Grad, sind das 40 Grad über dem Laborwert. Mit minus 0,35 Prozent gerechnet fehlen dann rund 14 Prozent der Nennleistung (eigene Rechnung mit angenommener Zelltemperatur).
Schwaches Licht
Bei wenig Licht arbeitet eine Zelle etwas schlechter als im Labor. Nach dem IEA-PVPS-Bericht erreicht ein gutes Modul bei einem Zehntel der genormten Einstrahlung typischerweise noch 95 Prozent seines Wirkungsgrads. Der Bericht hält fest, dass dieses Schwachlichtverhalten stärker von Fertigung und Modulaufbau abhängt als von der Zelltechnik.
Einfallswinkel und Reflexion
Trifft das Licht flach auf, wird mehr davon zurückgeworfen. Der IEA-PVPS-Bericht nennt Winkel über 40 Grad zur Senkrechten als den Bereich, in dem diese Reflexionsverluste ins Gewicht fallen. Eine Antireflexbeschichtung auf Zelle und Glas verringert sie.
Alterung
Mit den Jahren lässt die Leistung langsam nach. Das Fraunhofer ISE rechnet in seiner Modellrechnung für kleine Anlagen mit 0,5 Prozent weniger Ertrag pro Jahr. Die Ursachen beschreibt der Beitrag zur Degradation.
Was bedeutet der Zellwirkungsgrad beim Kauf?
Beim Kauf einer Solaranlage ist der Zellwirkungsgrad eine Nebenzahl. Sie kaufen Module, und für die zählt der Modulwirkungsgrad. Er entscheidet, wie viel Leistung auf Ihre Dachfläche passt. Bei knapp 23 Prozent liefert ein Quadratmeter Modul nach Angaben des Fraunhofer ISE rechnerisch 230 Watt Nennleistung.
Daraus lässt sich der Platzbedarf ableiten. Für eine Anlage mit 10 Kilowatt-Peak brauchen Sie rund 43 Quadratmeter Modulfläche (eigene Rechnung: 10.000 Watt geteilt durch 230 Watt). Ist das Dach groß genug, bringt ein besonders hoher Wirkungsgrad wenig. Ist es klein, kann er den Ausschlag geben. Genauer rechnet der Beitrag zur Photovoltaik-Leistung pro Quadratmeter.
- Modulwirkungsgrad vergleichen, nicht den Zellwirkungsgrad. Steht nur der Zellwert im Angebot, den Modulwert nachfragen.
- Temperaturkoeffizient der Leistung ansehen. Je näher an null, desto weniger Verlust an heißen Tagen.
- Leistung je Quadratmeter ausrechnen: Nennleistung des Moduls geteilt durch seine Fläche.
- Prüfen, ob die Werte für Standard-Testbedingungen gelten. Nur dann sind sie vergleichbar.
- Den Preis je Kilowatt-Peak danebenlegen. Das teuerste Modul ist nicht immer das wirtschaftlichste.
Ein Zellwirkungsgrad, der unter dem durchschnittlichen Modulwirkungsgrad von knapp 23 Prozent liegt, deutet auf ältere Technik hin, denn die Zelle ist immer besser als das Modul. Eine erste Auslegung für Ihr Dach liefert der Solarrechner.
Häufige Fragen zum Zellwirkungsgrad
Was ist ein guter Zellwirkungsgrad bei Solarzellen?
Ein guter Zellwirkungsgrad liegt über dem durchschnittlichen Wirkungsgrad handelsüblicher Module, den das Fraunhofer ISE mit knapp 23 Prozent angibt. Weil die Zelle immer besser ist als das fertige Modul, sollte der Zellwert im Datenblatt darüber liegen. Im Labor wurden mit monokristallinem Silizium bereits 28,1 Prozent erreicht.
Was ist der Unterschied zwischen Zellwirkungsgrad und Modulwirkungsgrad?
Der Zellwirkungsgrad gilt für die einzelne Solarzelle, der Modulwirkungsgrad für das fertige Modul mit Glas, Rahmen und Zellzwischenräumen. Der Modulwert ist deshalb immer niedriger. Bei den Laborbestwerten für monokristallines Silizium im Photovoltaics Report des Fraunhofer ISE liegen 2,1 Prozentpunkte dazwischen: 28,1 Prozent für die Zelle und 26,0 Prozent für das Modul.
Welche Solarzelle hat den höchsten Wirkungsgrad?
Den höchsten Wirkungsgrad haben Mehrfachsolarzellen, die mehrere Halbleiterschichten übereinander stapeln. Unter gebündeltem Sonnenlicht wurden damit laut Fraunhofer ISE im Labor 47,6 Prozent erreicht. Solche Zellen sind für Hausdächer nicht gedacht, dort ist monokristallines Silizium der Standard.
Wie hoch kann der Wirkungsgrad einer Siliziumzelle höchstens werden?
Eine Solarzelle aus Silizium mit nur einer lichtaktiven Schicht kann physikalisch höchstens 29,4 Prozent erreichen. Das Fraunhofer ISE nennt diesen Wert das Auger-Limit. Höhere Werte sind nur mit Tandemzellen möglich, bei denen eine zweite Zelle auf dem Silizium sitzt.
Warum sinkt der Zellwirkungsgrad bei Hitze?
Mit steigender Temperatur sinkt die Spannung der Solarzelle und damit ihre Leistung. Ein Bericht der Internationalen Energieagentur nennt für kristallines Silizium einen Temperaturkoeffizienten von etwa minus 0,35 bis minus 0,43 Prozent je Grad. Bei 65 Grad Zelltemperatur fehlen so rund 14 Prozent der Nennleistung (eigene Rechnung mit minus 0,35 Prozent).
Wie wird der Zellwirkungsgrad gemessen?
Der Zellwirkungsgrad wird unter Standard-Testbedingungen gemessen: 1.000 Watt Einstrahlung je Quadratmeter, 25 Grad Zelltemperatur und das genormte Lichtspektrum AM 1,5. Die abgegebene elektrische Leistung wird durch die eingestrahlte Lichtleistung geteilt. Das Referenzspektrum ist in der Norm IEC 60904-3 festgelegt.
Ist der Zellwirkungsgrad beim Kauf einer Solaranlage wichtig?
Für den Kauf ist der Modulwirkungsgrad die wichtigere Zahl, weil Sie Module kaufen und keine einzelnen Zellen. Er entscheidet, wie viel Leistung auf Ihre Dachfläche passt. Der Zellwirkungsgrad zeigt vor allem, wie weit die verbaute Zelltechnik ist.
Was sind Tandemsolarzellen?
Tandemsolarzellen bestehen aus zwei übereinander liegenden Zellen, die unterschiedliche Teile des Sonnenlichts nutzen. Meist sitzt eine Perowskit-Zelle auf einer Siliziumzelle. Nach Angaben des Fraunhofer ISE sind damit Wirkungsgrade von deutlich über 30 Prozent möglich, im Labor wurden bereits 35,2 Prozent erreicht.
Fazit
Der Zellwirkungsgrad zeigt, wie gut eine Solarzelle im Labor Licht in Strom umwandelt. Bei Silizium ist die Technik nah an der physikalischen Grenze von 29,4 Prozent angekommen, weitere Fortschritte kommen vor allem von Tandemzellen.
Für Ihre Entscheidung zählt, was nach Glas, Rahmen und Sommerhitze übrig bleibt. Vergleichen Sie Angebote deshalb über den Modulwirkungsgrad, den Temperaturkoeffizienten und den Preis je Kilowatt-Peak.
Quellen und Methodik
Laborwerte, Marktanteile und die Entwicklung der Modulwirkungsgrade stammen aus dem Photovoltaics Report des Fraunhofer ISE, die Grenze für Silizium von dessen Seite zu Tandemsolarzellen, Modulwirkungsgrad, Leistung je Quadratmeter und Performance Ratio aus den Fakten zur Photovoltaik. Testbedingungen, Temperaturkoeffizient, Schwachlicht und Einfallswinkel stammen aus einem Bericht des IEA-PVPS. Rechenbeispiele sind eigene Rechnungen. Solar.red hat keine Zellen gemessen.
- Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report - Laborwerte für Zellen und Module, Anteil der Technologien, Entwicklung der Modulwirkungsgrade
- Fraunhofer ISE: Silicon-Based Tandem Solar Cells and Modules - Grenze von 29,4 Prozent, Potenzial von Tandemzellen
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Modulwirkungsgrad, Leistung je Quadratmeter, Performance Ratio, Wirkungsgrad im Betrieb
- IEA-PVPS: Climatic Rating of Photovoltaic Modules - Standard-Testbedingungen, Temperaturkoeffizient, Schwachlicht, Einfallswinkel
Hinweis: Dieser Beitrag dient der unabhängigen Information und ersetzt keine Planung durch einen Fachbetrieb. Wirkungsgrade unterscheiden sich je nach Hersteller, Fertigung und Messbedingungen. Solar.red steht in keiner Verbindung zu den genannten Einrichtungen. Über die Anzeigen auf dieser Seite werden Anfragen an Fachbetriebe vermittelt, dafür erhält Solar.red eine Vergütung.
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