Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gehört zu den wichtigsten Kennzahlen der Photovoltaik. Er beschreibt, wie effizient ein Solarmodul die eingestrahlte Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann auf derselben Fläche erzeugt werden.

Dank moderner Zelltechnologien ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. Für die tatsächliche Stromausbeute einer Photovoltaikanlage ist jedoch nicht allein der Wirkungsgrad entscheidend. Auch Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur, Ausrichtung und Verschattung beeinflussen den Energieertrag und damit die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage.

Was ist der Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Er wird in Prozent (%) angegeben und dient als Maß für die Effizienz einer Solarzelle oder eines Solarmoduls.

Ein Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von 22% wandelt beispielsweise 22% der auftreffenden Sonnenenergie in Strom um. Die restliche Energie wird überwiegend als Wärme abgegeben oder kann aufgrund physikalischer Grenzen nicht genutzt werden. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass auf derselben Dachfläche mehr Leistung installiert werden kann. Er ist deshalb vor allem bei kleinen oder teilweise belegbaren Dächern von Vorteil.

Wirkungsgrad Formel

Der Wirkungsgrad wird als Verhältnis zwischen der erzeugten elektrischen Leistung und der eingestrahlten Sonnenleistung berechnet: 

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

Wirkungsgrad Rechenbeispiel

Ein Solarmodul erzeugt 440 Watt Leistung und besitzt eine Fläche von 2m². Unter Standard-Testbedingungen beträgt die Sonneneinstrahlung 1.000 W/m².

Eingestrahlte Leistung: 2m² × 1.000 W/m² = 2.000W
Elektrische Leistung: 440W
Wirkungsgrad = (440 ÷ 2.000) × 100 = 22%

Die von Herstellern angegebenen Modulwirkungsgrade werden unter sogenannten Standard-Testbedingungen (STC) ermittelt. Diese schreiben eine Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m², eine Zelltemperatur von 25°C sowie ein definiertes Sonnenspektrum (Air Mass (AM) 1.5) vor. Im realen Betrieb weichen diese Bedingungen häufig ab, weshalb die tatsächliche Leistung niedriger oder bei kühlen Temperaturen auch kurzfristig höher ausfallen kann.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen?

Der Wirkungsgrad hängt vor allem von der verwendeten Zelltechnologie ab. Monokristalline Module dominieren den Markt und erreichen Wirkungsgrade von 20 bis 22%, Premiummodule mit TOPCon- oder HJT-Zellen sogar 22 bis 25%. TOPCon-Zellen haben 2024 mit rund 65% Marktanteil die bisherige PERC-Technologie als Marktstandard überholt. Polykristalline Module liegen mit 16 bis 18% deutlich darunter. Ihr einstiger Kostenvorteil gegenüber monokristallinen Modulen ist praktisch verschwunden, weshalb sie im Neubaubereich kaum noch eine Rolle spielen. 

Dünnschichtmodule erreichen meist 6 bis 10% Wirkungsgrad. Sie werden nicht aus Siliziumwafern gefertigt, sondern durch Aufdampfen dünner Halbleiterschichten hergestellt. Trotz des niedrigeren Wirkungsgrads bieten sie durch ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität Vorteile bei bestimmten Projekten wie Fassadenintegration oder Großanlagen.

Übersicht: Modultechnologie — typischer Wirkungsgrad

Monokristallin (Standard) — 20-22%

Monokristallin (TOPCon/ HJT) — 22-25%

Polykristallin — 16-18%

Dünnschicht — 6-10%

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad?

Die angegebenen Wirkungsgrade gelten unter definierten Prüfbedingungen. Im praktischen Betrieb beeinflussen zahlreiche Faktoren die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage.

Temperatur

Solarzellen arbeiten bei niedrigen Temperaturen effizienter als bei großer Hitze. Steigt die Zelltemperatur deutlich über die Standard-Testbedingungen hinaus, nimmt die elektrische Leistung ab. Im Sommer können Solarmodule daher trotz intensiver Sonneneinstrahlung geringere Wirkungsgrade erreichen als an sonnigen, kühlen Frühlingstagen.

Sonneneinstrahlung

Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr elektrische Energie kann erzeugt werden. Auch der Einstrahlungswinkel spielt eine Rolle. Optimal ausgerichtete Module nutzen die einfallende Sonnenenergie besonders effizient.

Ausrichtung und Dachneigung

Die höchste Stromausbeute erzielen Photovoltaikanlagen in Deutschland meist bei einer Südausrichtung und einer Dachneigung von etwa 30 Grad. Ost-West-Anlagen liefern dagegen häufig gleichmäßigere Erträge über den Tagesverlauf und eignen sich besonders für einen hohen Eigenverbrauch.

Verschattung

Schon kleine Verschattungen durch Schornsteine, Bäume oder Gauben können die Leistung einzelner Module und ganzer Modulstränge reduzieren. Eine sorgfältige Planung minimiert diese Verluste.

Verschmutzung

Staub, Laub, Vogelkot oder Schnee können den Lichteinfall auf die Solarzellen verringern. In den meisten Fällen reinigen sich Module durch Regen weitgehend selbst, bei starken Verschmutzungen kann jedoch eine professionelle Reinigung sinnvoll sein.

Alterung

Auch Solarmodule altern. Durch natürliche Degradation nimmt ihre Leistung im Laufe der Jahre leicht ab. Hochwertige Module garantieren nach 20 Jahren in der Regel noch mindestens 85% ihrer ursprünglichen Leistung. 

Wie lässt sich der Wirkungsgrad verbessern?

Der eigentliche Modulwirkungsgrad lässt sich nach der Herstellung nicht erhöhen. Allerdings kann die tatsächliche Energieausbeute einer Photovoltaikanlage durch eine gute Planung und den Einsatz geeigneter Komponenten deutlich verbessert werden. Zu den wichtigsten Maßnahmen gehören:

• Einsatz hochwertiger Solarmodule mit hohem Wirkungsgrad
• optimale Ausrichtung und Dachneigung (Südausrichtung, ca. 30 Grad)
• möglichst verschattungsfreie Montage
• leistungsstarker Wechselrichter – moderne Geräte erreichen 96 bis 98% Wirkungsgrad
• ausreichende Hinterlüftung der Module
• regelmäßige Kontrolle auf starke Verschmutzungen

Bereits eine sorgfältige Anlagenplanung trägt häufig stärker zum Jahresertrag bei als geringe Unterschiede beim Modulwirkungsgrad.

Ist ein hoher Wirkungsgrad immer besser?

Ein hoher Wirkungsgrad ist grundsätzlich vorteilhaft, weil auf derselben Fläche mehr Leistung installiert werden kann. Ob sich besonders effiziente Solarmodule wirtschaftlich lohnen, hängt jedoch von den Gegebenheiten des jeweiligen Gebäudes ab. Steht nur wenig Dachfläche zur Verfügung, können Module mit hohem Wirkungsgrad den Stromertrag deutlich erhöhen. Ist dagegen ausreichend Platz vorhanden, lassen sich ähnliche Erträge häufig auch mit günstigeren Modulen erzielen. Deshalb sollte der Wirkungsgrad niemals isoliert betrachtet werden.