Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist das Maß dafür, wie viel der verfügbaren Sonnenenergie eine Solarzelle in elektrische Energie umwandelt. Die meisten typischen Silizium-Solarzellen haben einen maximalen Wirkungsgrad von rund 15 Prozent. Aber auch eine Solaranlage mit 15 Prozent Wirkungsgrad kann das durchschnittliche Haus kostengünstig mit Strom versorgen.
Woher kommt die Energie?
Energie im Sonnenlicht kommt in Paketen, die Photonen genannt werden. Diese Photonen tragen je nach Wellenlänge eine bestimmte Energiemenge. Mit abnehmender Wellenlänge nimmt die Energie eines Photons zu. Diese Photonen regen Elektronen in der Solarzelle an, wodurch sie durch die Schaltung fließen und elektrischen Strom erzeugen. Um ein Elektron im Silizium freizusetzen, benötigt ein Photon mindestens 1,1 Elektronenvolt Energie. Ein Elektronenvolt ist die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Elektron durch eine Potentialdifferenz von einem Volt zu bewegen. Wenn ein Photon mehr als 1,1 Elektronenvolt hat, bewegt sich ein Elektron durch den Stromkreis, aber überschüssige Energie wird als Wärme freigesetzt. Dies ist einer der Gründe für den geringen Wirkungsgrad von Solarzellen; sie brauchen nur eine ganz bestimmte Menge an Energie, um zu funktionieren.
Wie viel Strom liefert die Sonne?
Die Sonne liefert unterschiedlich viel Energie, je nachdem, wo Sie sich auf der Erde befinden und wo sie sich am Himmel befindet. Sonnenkollektoren werden normalerweise unter Annahme von Standardbedingungen bewertet, die als AM1.5 bekannt sind. Dies steht für Luftmasse 1,5, was die akzeptierte Prüfbedingung für Solarmodule ist. Bei AM1,5 liefert die Sonne 1.000 Watt pro Quadratmeter. Die tatsächlich verfügbare Sonnenenergie variiert jedoch je nach Standort, Wetterbedingungen und Tageszeit.
Wie viel Prozent der Sonnenenergie können Solarzellen nutzen?
Um die Kraft der Sonne zu verstehen, verwenden wir ein Strahlungsmodell, das als Schwarzkörperspektrum bezeichnet wird. Das Schwarzkörperspektrum sagt uns die Energieverteilung von Objekten bei verschiedenen Wellenlängen. Basierend auf einem Schwarzkörperspektrum haben 23 Prozent der Energie der Sonne eine Wellenlänge, die zu lang ist, um für Sonnenkollektoren nützlich zu sein. Diese Photonen passieren einfach die Zelle. Andere Wellenlängen haben etwas überschüssige Energie. Tatsächlich sind weitere 33 Prozent der Sonnenenergie überschüssige Energie, die auch für Siliziumsolarzellen unbrauchbar ist. Somit stehen nur noch 44 Prozent der Sonnenenergie für Siliziumsolarzellen zur Verfügung. Mehr von dieser Energie geht durch Reflexion und andere Prozesse in der Zelle selbst verloren. Während der theoretische maximale Wirkungsgrad höher sein kann, liegt der tatsächliche Wirkungsgrad von Siliziumzellen daher in der Regel bei etwa 15 Prozent.
Wie steigern wir die Paneleffizienz?
Um die Effizienz von Solarmodulen zu erhöhen, können wir die Materialien, die wir für ihre Herstellung verwenden, verbessern und diversifizieren. Verschiedene Materialien benötigen eine unterschiedliche Menge an Photonenenergie, um Strom zu erzeugen. Daher können Hybridpanels eine Reihe verschiedener Elektronenvoltwerte abdecken, um die eingefangene Energie zu maximieren. Ein Problem bei diesem Ansatz sind die Herstellungskosten. Das Standard-Solarpanel besteht aus Silizium, das weit verbreitet und gut verstanden ist. Da die in Solarmodulen verwendeten Materialien seltener und spezialisierter werden, steigen die Herstellungskosten. Daher geht eine Erhöhung der Effizienz mit einer Erhöhung der Kosten einher.