PV-Strom und PV-Spannung: Entstehung, Zusammenhang und Einflussfaktoren

Kurzantwort: PV-Strom und PV-Spannung entstehen in der Solarzelle durch den photovoltaischen Effekt. Lichtenergie löst im Halbleiter Ladungsträger frei, der p-n-Übergang trennt sie, und so entsteht nutzbarer Gleichstrom (DC). Strom hängt vor allem von Licht und Fläche ab, Spannung vor allem von Zellaufbau, Temperatur und Verschaltung.

PV-Strom und -Spannung sind die elektrischen Größen, die durch den photovoltaischen Effekt in einer Solarzelle entstehen und den nutzbaren Gleichstrom einer Photovoltaikanlage bestimmen. Einen Überblick über die Einordnung in die PV-Grundlagen hilft beim Verständnis der folgenden Zusammenhänge.

Wie entstehen Strom und Spannung in der PV-Zelle?

PV-Strom und PV-Spannung entstehen, wenn Lichtenergie in der Solarzelle Elektronen anregt und der p-n-Übergang diese Ladungsträger trennt. Aus dieser Trennung entsteht eine elektrische Spannung, und bei geschlossenem Stromkreis fließt Gleichstrom (DC).

Der Prozess beginnt im Halbleiter der Solarzelle, meist Silizium. Trifft Lichtenergie auf den Halbleiter, gibt die Strahlung Energie an Elektronen ab. Werden Elektronen aus ihren Bindungen gelöst, entstehen freie Ladungsträger. Der p-n-Übergang erzeugt ein inneres elektrisches Feld. Dieses Feld trennt Elektronen und Löcher. Genau diese Ladungstrennung erzeugt die Spannung.

Die Begriffe lassen sich sauber trennen: Strom beschreibt den Fluss von Ladung, Spannung beschreibt die elektrische Triebkraft zwischen zwei Punkten. Ohne angeschlossene Last bleibt vor allem die Spannung an der Solarzelle messbar. Wenn ein Verbraucher angeschlossen wird, fließt PV-Strom. Deshalb entstehen Strom und Spannung nicht unabhängig voneinander, sondern gehören zur I-U-Kennlinie einer Solarzelle.

Der Grundmechanismus heißt Photovoltaischer Effekt. Die praktische Umsetzung der Lichtumwandlung erklärt auch die Seite Solarzelle Funktionsweise anschaulich. Der Aufbau der Solarzelle zeigt dazu die Schichten, in denen der p-n-Übergang arbeitet.

Warum haben Solarzellen eine bestimmte Spannung?

Die Spannung einer Solarzelle entsteht durch den p-n-Übergang im Halbleiter und liegt nicht beliebig hoch. Eine Solarzelle hat eine charakteristische Modulspannung, weil Material, Dotierung, Zellfläche und Temperatur den möglichen Spannungsbereich festlegen.

Wichtige Kenngrößen sind Leerlaufspannung und Modulspannung. Die Leerlaufspannung ist die Spannung ohne angeschlossene Last. Der Kurzschlussstrom ist der Strom bei kurzgeschlossenen Polen. Beide Werte gehören zur I-U-Kennlinie und zeigen, wie sich Solarzelle und Modul unter realen Bedingungen verhalten.

Eine einzelne Silizium-Solarzelle liefert nur eine relativ geringe Spannung. Deshalb verschalten Hersteller viele Zellen in Reihe, um die Modulspannung anzuheben. In Reihe addieren sich die Spannungen der einzelnen Zellen. In parallel addieren sich die Ströme. Diese Verschaltung in Reihe und parallel entscheidet damit direkt über die elektrische Auslegung eines Moduls oder Strings.

Die Spannung reagiert stark auf Temperatur. Steigt die Temperatur der Solarzelle, sinkt die Spannung in der Regel. Die genaue Kennlinie hängt vom Zelltyp ab, aber der Zusammenhang bleibt gleich: Wärme reduziert die nutzbare Spannung, während Licht vor allem den Strom erhöht. Deshalb liefert eine kühle, gut beleuchtete Solarzelle oft höhere elektrische Werte als eine heiße Solarzelle bei gleicher Einstrahlung.

Wie hängt der PV-Strom von Licht und Fläche ab?

PV-Strom steigt vor allem mit der Einstrahlung und mit der aktiven Zellfläche. Mehr Licht bedeutet mehr erzeugte Ladungsträger. Größere Fläche bedeutet mehr Material, das Lichtenergie aufnehmen kann. Die Spannung ändert sich dabei deutlich weniger als der Strom.

Für die Praxis ist wichtig: Der Kurzschlussstrom wächst nahezu proportional mit der Einstrahlung. Halb so viel Einstrahlung führt grob zu ungefähr halb so viel Strom. Die Leerlaufspannung verändert sich dagegen nur moderat. Genau deshalb nutzt die Photovoltaik bei hellem Licht vor allem mehr Strom für mehr Leistung, nicht einfach mehr Spannung.

Die Fläche zählt ebenfalls. Eine größere Solarzelle oder ein größeres PV-Modul kann mehr Photonen aufnehmen und mehr Ladungsträger erzeugen. Bei gleicher Technologie und ähnlicher Einstrahlung steigt damit der mögliche PV-Strom. Bei gleicher Fläche und unterschiedlicher Zelltechnik unterscheiden sich die Ergebnisse trotzdem, weil Halbleiter, Dotierung und Verluste die Ausbeute beeinflussen.

Für die Auslegung ist die I-U-Kennlinie entscheidend. Die Kennlinie zeigt, bei welcher Kombination aus Strom und Spannung eine Solarzelle oder ein Modul die höchste Leistung liefert. Wer eine Anlage plant, muss daher nicht nur die Nennleistung auf dem Typenschild kennen, sondern auch Strom- und Spannungswerte im Arbeitspunkt verstehen.

Was ist der Unterschied zwischen Strom, Spannung und Leistung bei Photovoltaik?

Strom, Spannung und Leistung sind drei verschiedene Größen. PV-Strom beschreibt die Menge an Ladung pro Zeit, PV-Spannung den elektrischen Druck, und Leistung (Watt) das Produkt aus beiden Werten. Bei Photovoltaik bestimmt erst die Kombination aus Strom und Spannung den nutzbaren Ertrag.

Die einfache Beziehung lautet: Leistung = Spannung × Strom. Ein höherer PV-Strom bei gleicher Spannung erhöht die Leistung. Eine höhere PV-Spannung bei gleichem Strom erhöht die Leistung ebenfalls. Darum können zwei Solarzellen mit ähnlicher Fläche trotzdem unterschiedliche Leistungen liefern, wenn ihre Spannungs- und Stromwerte verschieden sind.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Nennwerten und Realwerten. Auf Datenblättern stehen typische Kennwerte unter Standard-Testbedingungen. In der Anlage ändern sich diese Werte durch Temperatur, Einstrahlung, Verschattung und Verschaltung in Reihe und parallel. Die Leistung bleibt deshalb nie konstant, sondern folgt der aktuellen I-U-Kennlinie.

Wer ein Modul oder einen String versteht, muss deshalb Strom und Spannung gemeinsam betrachten. Ein hoher Kurzschlussstrom allein sagt wenig über die Leistung aus. Eine hohe Leerlaufspannung allein auch nicht. Erst der Arbeitspunkt auf der Kennlinie zeigt, wie viel nutzbare Leistung ein PV-Modul tatsächlich liefert.

Welche Faktoren beeinflussen PV-Strom und PV-Spannung in der Praxis?

PV-Strom und PV-Spannung hängen in der Praxis vor allem von Einstrahlung, Temperatur, Verschaltung, Verschattung und Zelltechnologie ab. Licht erhöht vor allem den Strom. Temperatur senkt vor allem die Spannung. Verschattung verschiebt die I-U-Kennlinie und reduziert die nutzbare Leistung oft deutlich.

Einstrahlung ist der wichtigste Faktor für den Strom. Mehr direkte oder diffuse Lichtenergie führt zu mehr erzeugten Ladungsträgern. Temperatur wirkt gegensätzlich auf die Spannung. Heiße Module liefern meist weniger Spannung als kalte Module. Deshalb können Wintertage trotz kürzerer Sonnenscheindauer hohe Spannungswerte in der Anlage erzeugen, wenn die Solarzellen kalt und gut belichtet sind.

Auch die Verschaltung in Reihe und parallel verändert die elektrische Summe. Bei Reihenschaltung steigt die Spannung der Modul- oder Stringkette. Bei Parallelschaltung steigt der Strom. Diese Grundregel ist für Planung, Wechselrichterauswahl und Fehlersuche zentral. Der Wechselrichter muss zur erwarteten Modulspannung, zur maximalen Stringspannung und zum Strombereich passen.

Weitere Praxisfaktoren sind Kabelverluste, Übergangswiderstände und unterschiedliche Modulausrichtung. Diese Faktoren verändern nicht den photovoltaischen Effekt selbst, aber sie beeinflussen den nutzbaren PV-Strom und die am Wechselrichter ankommende PV-Spannung. Wer Anlagenwerte prüfen will, braucht daher nicht nur die Moduldaten, sondern auch eine saubere PV-Dokumentation, damit Spannungen, Ströme und Verschaltungen nachvollziehbar bleiben.

Für die Praxis gelten einige feste Orientierungspunkte: Der photovoltaische Effekt basiert auf einem Halbleiter mit p-n-Übergang. Solarzellen liefern Gleichstrom (DC), keinen Wechselstrom. Die Leistung ergibt sich aus Watt = Volt × Ampere. Der Kurzschlussstrom beschreibt den Strom bei kurzgeschlossener Zelle. Die Leerlaufspannung beschreibt die Spannung ohne Last. Diese fünf Begriffe reichen bereits, um die meisten Messwerte einer PV-Anlage korrekt einzuordnen.

Wer PV-Strom und PV-Spannung verstehen will, sollte immer dieselbe Reihenfolge beachten: Lichtenergie trifft auf den Halbleiter, der p-n-Übergang trennt die Ladungsträger, die Solarzelle erzeugt Gleichstrom (DC), und die Verschaltung bestimmt, welche Modulspannung am Ende anliegt. Genau daraus ergibt sich die elektrische Funktion jeder Photovoltaikanlage.

Mehr zum Thema im Bereich Photovoltaik Grundlagen · Passend dazu: Einstieg: Der große Ratgeber · Ressourcen: Der große Ratgeber