Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen

Vom Sonnenlicht zum Strom: Wirkungsgrad von Solarzellen

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eintreffenden Sonnenenergie von einer Solarzelle tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Solarzellen können dabei nur nutzen: Etwa 20 % der haben nicht genug Energie, um von der Solarzelle genutzt zu werden. Licht mit zu hoher Energie wird teilweise in Wärme umgewandelt und ebenfalls nicht vollständig zur Stromproduktion genutzt. Innerhalb der Solarzelle führen zudem Reflexion, Wärmeverluste und elektrische Widerstände dazu, dass nur ein Teil der absorbierten Energie in Strom umgewandelt wird. Für kristalline Siliziumzellen liegt das praktische Effizienzlimit bei etwa 27,8 %, physikalisch maximal bei rund 29 %.

Die Relevanz für die Praxis ist hoch: Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet weniger Fläche für den gleichen Energieertrag, höhere Autarkiegrade für Gebäude, geringere Flächenkonkurrenz und niedrigere Stromgestehungskosten. Gleichzeitig sinkt der Materialverbrauch, insbesondere bei Silber und Aluminium, was sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich bringt.

Von der Zelle zum Modul – wie PV-Technologien immer effizienter werden

Die Leistung einer Photovoltaikanlage beginnt auf Zellebene. Hier entscheidet sich, wie viel der Sonnenenergie letztlich in Strom umgewandelt wird.

Kristalline Siliziumzellen bilden derzeit den Standard in der Massenproduktion. Sie sind erprobt, langlebig und kostengünstig, allerdings ist ihr physikalisches Limit nahezu ausgeschöpft: In Laboren erzielen die Zellen derzeit einen maximalen Wirkungsgrad von 27,3 % (Zelle von Longi). In kommerziellen Modulen, in denen viele einzelne Solarzellen zu einer Einheit zusammengeschlossen werden, sind Wirkungsgrade von bis zu 23,8 % zu finden, durchschnittlich sind es rund 22 %. 

Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Neuentwicklung. Sie bestehen aus leicht verfügbaren Materialien, sind sehr dünn und können theoretisch sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. In Laboren sind bereits Effizienzen von bis zu 26,95 % erreicht worden – allerdings nur auf einer Fläche von knapp 6 mm². Ihr Nachteil ist jedoch die Haltbarkeit: Sie reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit und Temperatur. International wird intensiv daran geforscht, diese Limitierungen zu überwinden, um Perowskite zur Marktreife zu bringen.

Besonders spannend sind Tandemzellen, in denen unterschiedliche Materialien kombiniert werden – etwa Siliziumzellen mit einer dünnen Perowskit-Schicht oder zwei Perowskit-Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Diese Hybrid-Technologie kann ein breiteres Lichtspektrum nutzen und hat im Labor bereits Wirkungsgrade von 34,85 % erreicht (Zelle von Longi) – ein entscheidender Schritt, um mehr erneuerbaren Strom pro Fläche ernten zu können.

Effizienz und Flächenbedarf in Niedersachsen

Die Effizienz von PV-Modulen entscheidet nicht nur über Stromerträge, sondern auch über den Flächenbedarf der Energiewende. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Fläche wird für die gleiche Leistung benötigt – und desto leichter lassen sich die Ausbauziele erreichen. Unsere Karte zur Flächennutzung in Niedersachsen zeigt, wie viel Fläche aktuell für Photovoltaik genutzt wird und welche Ausdehnung für die Erreichung des niedersächsischen Klimaziels von 65 GW installierter PV-Leistung bis 2035 vorgesehen ist: 

Innovation aus Niedersachsen für effizientere Photovoltaik

In Niedersachsen wird an der Zukunft der Photovoltaik geforscht: Das Projekt „NextGenPV" am Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) bündelt die Expertise mehrerer Universitäten und Forschungseinrichtungen, um Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium zur Marktreife zu bringen. Diese Technologie verspricht Wirkungsgrade von über 42 Prozent – deutlich mehr als heutige Siliziumzellen erreichen können. Gefördert durch das Land Niedersachsen im Rahmen des Programms zukunft.niedersachsen, arbeiten die Forschenden dabei nicht nur an der Stabilität und industrienahen Herstellung, sondern auch an Umweltaspekten und Recyclingfähigkeit der neuen Solarzellen.

Fazit: Die Photovoltaik hat sich in den vergangenen Jahren von einer Nischentechnologie zu einem globalen Massenprodukt entwickelt. Für die Erreichung der Ausbauziele in Niedersachsen sind weiter steigende Modulwirkungsgrade von zentraler Bedeutung – sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht. Fachleute halten eine weitere Effizienzsteigerung für realistisch, auch wenn die Zuwächse künftig langsamer ausfallen dürften. Ebenso wichtig bleiben eine hohe Lebensdauer der Module und ein ressourcenschonender Materialeinsatz, um die Photovoltaik langfristig nachhaltig zu gestalten.