Spannung, Strom, Leistung: Was eine Solarzelle wirklich erzeugt (Basiswissen)

Fragen Sie sich manchmal, was genau hinter den Begriffen steckt, wenn von Solarenergie die Rede ist? Spannung, Strom, Leistung – das klingt zunächst technisch. Aber keine Sorge: Sie müssen kein Physiker sein, um zu verstehen, was Ihre Solarzelle auf dem Dach, dem Balkon oder im Garten eigentlich erzeugt. Wer diese Grundlagen versteht, kann später auch komplexere Angaben wie Kilowattpeak (kWp) bei Solaranlagen wirklich nachvollziehen. Wir führen Sie Schritt für Schritt durch die Grundlagen.

Was ist eigentlich Strom? Ein kleiner Ausflug

Bevor wir uns den Details von Spannung, Strom und Leistung widmen, machen wir einen kurzen Ausflug in die Welt der Elektrizität. Stellen Sie sich Strom vereinfacht wie Wasser vor, das durch einen Gartenschlauch fließt. Diese Analogie hilft, die Begriffe greifbarer zu machen. Im Grunde ist elektrischer Strom nichts anderes als die Bewegung winziger Teilchen – sogenannter Elektronen. Fließen diese Elektronen in eine bestimmte Richtung, entsteht elektrischer Strom. Eine Solarzelle macht genau das: Sie wandelt Sonnenlicht in bewegte Elektronen um.

Spannung (Volt): Der „Druck“ hinter dem Strom

Die elektrische Spannung ist gewissermaßen der „Druck“, mit dem die Elektronen durch eine Leitung geschoben werden. Ohne Spannung gibt es keine Bewegung – also keinen Stromfluss. Das ist vergleichbar mit Wasser im Schlauch, das nur fließt, wenn Druck dahinter ist.

Die elektrische Spannung, auch mit dem Formelzeichen U bezeichnet, beschreibt den Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen zwei Punkten. Sie können sich das wie die Antriebskraft der Elektronen vorstellen. Gemessen wird Spannung in Volt (V), benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta.

In der Wassermodell-Analogie entspricht die Spannung dem Wasserdruck im Schlauch. Je höher der Druck, desto kräftiger spritzt das Wasser heraus.

Wenn Sonnenlicht auf das Halbleitermaterial einer Solarzelle trifft – meist handelt es sich dabei um Silizium –, werden Elektronen angeregt. Zwischen der Ober- und Unterseite der Zelle entsteht dadurch eine elektrische Spannung, ein Plus- und ein Minuspol bilden sich aus.

Eine einzelne Silizium-Solarzelle erzeugt in der Regel nur etwa 0,5 bis 0,7 Volt. Deshalb werden in einem Solarmodul viele Zellen miteinander verbunden, um eine höhere Spannung zu erreichen.

Die sogenannte Leerlaufspannung (Uoc) bezeichnet die maximale Spannung, die eine Solarzelle oder ein Modul liefern kann, wenn kein Strom fließt – also wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Dies lässt sich mit dem maximalen Druck im Gartenschlauch bei geschlossenem Ventil vergleichen.

Strom (Ampere): Die „Menge“ des fließenden Stroms

Der elektrische Strom beschreibt, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fließen. Es ist also die „Menge“ der bewegten Ladung.

• Definition: Der elektrische Strom (Formelzeichen I) bezeichnet die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern wie Elektronen.
• Einheit: Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen, benannt nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère.
• Analogie: Im Wassermodell entspricht der Strom der Wassermenge, die pro Sekunde durch den Schlauch fließt. Ein dickerer Schlauch (oder mehr Licht auf der Solarzelle) kann mehr Wasser (Strom) transportieren.
• Was den Stromfluss bestimmt: Die Menge des erzeugten Stroms hängt direkt von der Intensität des Sonnenlichts und der Fläche der Solarzelle ab. Mehr Licht bedeutet mehr angeregte Elektronen und somit einen höheren Stromfluss.
• Kurzschlussstrom (Isc): Er bezeichnet den maximalen Strom, den eine Solarzelle liefern kann, wenn ihre Anschlüsse direkt miteinander verbunden werden (Kurzschluss). Dabei ist die Spannung praktisch null.

Leistung (Watt): Die „Arbeit“, die der Strom verrichtet

Die elektrische Leistung ergibt sich aus Spannung und Strom. Sie beschreibt, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird – also wie viel „Arbeit“ der Strom verrichten kann.

• Definition: Die elektrische Leistung (Formelzeichen P) ist das Produkt aus elektrischer Spannung (U) und elektrischem Strom (I).
• Einheit: Die Leistung wird in Watt (W) gemessen, benannt nach dem schottischen Ingenieur James Watt.
• Die Schlüsselformel: P = U × I (Leistung = Spannung × Strom). Diese einfache Formel ist entscheidend.
• Analogie: Im Wassermodell wäre die Leistung vergleichbar mit der gesamten Kraft des Wasserstrahls. Ein hoher Druck (Spannung) allein reicht nicht, wenn nur wenig Wasser (Strom) fließt – und umgekehrt. Erst beides zusammen ergibt eine hohe Leistung.
• Was die Watt-Angabe bedeutet: Die Leistung eines Solarmoduls wird oft in Watt Peak (Wp) angegeben. „Peak“ bedeutet Spitze und bezieht sich auf die maximale Leistung unter genormten Standard-Testbedingungen (STC). Diese Angabe macht Module vergleichbar.

Das Zusammenspiel: Die Strom-Spannungs-Kennlinie

Spannung und Strom einer Solarzelle sind nicht unabhängig voneinander. Ihr Verhältnis zueinander zeigt die sogenannte Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie). Diese Kurve macht sichtbar, wie sich Strom und Spannung gegenseitig beeinflussen.

• Leerlaufspannung (Uoc): An einem Ende der Kurve haben wir die maximale Spannung, aber es fließt kein Strom.
• Kurzschlussstrom (Isc): Am anderen Ende der Kurve fließt der maximale Strom, aber die Spannung ist null.
• Der Maximum Power Point (MPP): Zwischen diesen Extremen gibt es einen optimalen Punkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom – also die Leistung – am größten ist. Dieser „Maximum Power Point“ (MPP) ist der Punkt, an dem die Solarzelle am effizientesten arbeitet.

Moderne Wechselrichter sorgen mit dem sogenannten MPP-Tracking dafür, die Solarmodule immer in diesem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dieser Punkt ist so wichtig, weil Sie möchten, dass Ihre Solaranlage so viel Energie wie möglich erzeugt. Der MPP ist der „Sweet Spot“ für die maximale Energieausbeute.

Von der einzelnen Zelle zum Solarmodul

Eine einzelne Solarzelle liefert, wie Sie gelesen haben, nur eine geringe Spannung von etwa 0,5 bis 0,7 Volt. Um praktisch nutzbare Spannungen und Leistungen zu erreichen, werden viele Zellen in einem Solarmodul miteinander verschaltet.

• Reihenschaltung: Werden Zellen in Reihe geschaltet (wie bei einer Lichterkette), addieren sich ihre Spannungen. Der Strom des gesamten Moduls entspricht dem Strom einer einzelnen Zelle.
• Definition: Der elektrische Strom (Formelzeichen I) bezeichnet die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern wie Elektronen.
• Einheit: Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen, benannt nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère.
• Analogie: Im Wassermodell entspricht der Strom der Wassermenge, die pro Sekunde durch den Schlauch fließt. Ein dickerer Schlauch (oder mehr Licht auf der Solarzelle) kann mehr Wasser (Strom) transportieren.
• Was den Stromfluss bestimmt: Die Menge des erzeugten Stroms hängt direkt von der Intensität des Sonnenlichts und der Fläche der Solarzelle ab. Mehr Licht bedeutet mehr angeregte Elektronen und somit einen höheren Stromfluss.
• Kurzschlussstrom (Isc): Er bezeichnet den maximalen Strom, den eine Solarzelle liefern kann, wenn ihre Anschlüsse direkt miteinander verbunden werden (Kurzschluss). Dabei ist die Spannung praktisch null.

Leistung (Watt): Die „Arbeit“, die der Strom verrichtet

Die elektrische Leistung ergibt sich aus Spannung und Strom. Sie beschreibt, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird – also wie viel „Arbeit“ der Strom verrichten kann.

• Definition: Die elektrische Leistung (Formelzeichen P) ist das Produkt aus elektrischer Spannung (U) und elektrischem Strom (I).
• Einheit: Die Leistung wird in Watt (W) gemessen, benannt nach dem schottischen Ingenieur James Watt.
• Die Schlüsselformel: P = U × I (Leistung = Spannung × Strom). Diese einfache Formel ist entscheidend.
• Analogie: Im Wassermodell wäre die Leistung vergleichbar mit der gesamten Kraft des Wasserstrahls. Ein hoher Druck (Spannung) allein reicht nicht, wenn nur wenig Wasser (Strom) fließt – und umgekehrt. Erst beides zusammen ergibt eine hohe Leistung.
• Was die Watt-Angabe bedeutet: Die Leistung eines Solarmoduls wird oft in Watt Peak (Wp) angegeben. „Peak“ bedeutet Spitze und bezieht sich auf die maximale Leistung unter genormten Standard-Testbedingungen (STC). Diese Angabe macht Module vergleichbar.

Das Zusammenspiel: Die Strom-Spannungs-Kennlinie

Spannung und Strom einer Solarzelle sind nicht unabhängig voneinander. Ihr Verhältnis zueinander zeigt die sogenannte Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie). Diese Kurve macht sichtbar, wie sich Strom und Spannung gegenseitig beeinflussen.

• Leerlaufspannung (Uoc): An einem Ende der Kurve haben wir die maximale Spannung, aber es fließt kein Strom.
• Kurzschlussstrom (Isc): Am anderen Ende der Kurve fließt der maximale Strom, aber die Spannung ist null.
• Der Maximum Power Point (MPP): Zwischen diesen Extremen gibt es einen optimalen Punkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom – also die Leistung – am größten ist. Dieser „Maximum Power Point“ (MPP) ist der Punkt, an dem die Solarzelle am effizientesten arbeitet.

Moderne Wechselrichter sorgen mit dem sogenannten MPP-Tracking dafür, die Solarmodule immer in diesem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Dieser Punkt ist so wichtig, weil Sie möchten, dass Ihre Solaranlage so viel Energie wie möglich erzeugt. Der MPP ist der „Sweet Spot“ für die maximale Energieausbeute.

Von der einzelnen Zelle zum Solarmodul

Eine einzelne Solarzelle liefert, wie Sie gelesen haben, nur eine geringe Spannung von etwa 0,5 bis 0,7 Volt. Um praktisch nutzbare Spannungen und Leistungen zu erreichen, werden viele Zellen in einem Solarmodul miteinander verschaltet.

• Reihenschaltung: Werden Zellen in Reihe geschaltet (wie bei einer Lichterkette), addieren sich ihre Spannungen. Der Strom des gesamten Moduls entspricht dem Strom einer einzelnen Zelle.
• Parallelschaltung: Werden Zellen parallel geschaltet (alle Pluspole und alle Minuspole verbunden), addieren sich ihre Ströme. Die Spannung entspricht der einer einzelnen Zelle.

Ein typisches Solarmodul für Hausdachanlagen besteht oft aus 60 oder 72 in Reihe geschalteten Zellen. So erreicht ein Modul mit 72 Zellen beispielsweise eine Spannung am MPP von etwa 36–40 Volt und einen Strom von 9–10 Ampere, was zu einer Leistung von rund 320–400 Watt Peak (Wp) führt.

Was beeinflusst die Leistung einer Solarzelle?

Die tatsächliche Menge an Spannung, Strom und Leistung, die ein Solarmodul erzeugt, hängt von äußeren Faktoren ab:

• Lichtintensität: Der wichtigste Faktor. Je mehr Sonne auf die Zelle trifft, desto höher ist der erzeugte Strom und damit die Leistung. Die Spannung ändert sich bei weniger Licht nicht so stark wie der Strom.
• Temperatur: Solarzellen mögen es nicht zu heiß. Mit steigender Temperatur sinkt bei den meisten Siliziumzellen die Spannung leicht ab, was auch die Leistung reduziert. Deshalb werden Nennleistungen bei einer kühlen Zelltemperatur von 25 °C gemessen.
• Verschattung: Selbst eine teilweise Verschattung, etwa durch einen Schornstein, kann die Leistung eines ganzen Modulstrangs erheblich reduzieren, da die verschatteten Zellen wie ein Widerstand wirken.

Warum dieses Basiswissen wichtig ist

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben nun ein Grundverständnis für Spannung, Strom und Leistung im Kontext der Solarenergie. Dieses Wissen ist aus mehreren Gründen wertvoll:

• Es ist die Basis, um den Begriff Kilowattpeak (kWp) – die Maßeinheit für die Spitzenleistung einer Solaranlage – zu verstehen.
• Es hilft Ihnen, Angebote für Solaranlagen besser einzuschätzen und technische Daten von Modulen und Wechselrichtern nachzuvollziehen.
• So können Sie fundiertere Entscheidungen auf Ihrem Weg zu eigener Solarstromerzeugung treffen.

Wenn Sie tiefer in die Welt der Photovoltaik eintauchen möchten, ist dieses Basiswissen der beste Startpunkt.

Zusammenfassung: Die wichtigsten Punkte auf einen Blick

• Spannung (Volt, V): Der „Druck“, der die Elektronen antreibt. Eine einzelne Zelle hat ca. 0,5–0,7 V.
• Strom (Ampere, A): Die „Menge“ der fließenden Elektronen. Hängt stark von der Lichtintensität ab.
• Leistung (Watt, W): Die „Arbeit“, die der Strom verrichtet. Berechnet sich aus Spannung × Strom (P = U × I).
• MPP (Maximum Power Point): Der Betriebspunkt, an dem eine Solarzelle die maximale Leistung abgibt.
• Solarmodule: Viele Zellen werden verschaltet, um höhere, nutzbare Spannungen und Leistungen zu erzielen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was passiert, wenn keine Sonne scheint? Produziert eine Solarzelle dann gar nichts?

Wenn gar kein Licht auf die Solarzelle trifft, wie nachts, kann sie auch keine Spannung und keinen Strom erzeugen. Bei sehr schwachem Licht, etwa in der Dämmerung, ist die erzeugte Leistung sehr gering, aber oft nicht null.

Gibt eine Solarzelle immer die gleiche Spannung ab?

Nein. Die Spannung einer Zelle hängt zwar weniger stark von der Lichtintensität ab als der Strom, aber sie variiert. Die Leerlaufspannung ist der Maximalwert. Im Betrieb am MPP ist die Spannung etwas niedriger, und auch die Temperatur hat einen Einfluss.

Was ist wichtiger: mehr Ampere oder mehr Volt?

Entscheidend ist weder das eine noch das andere allein, sondern das Produkt aus beiden: die Leistung in Watt. Es kommt auf das Zusammenspiel an. Eine hohe Spannung bei niedrigem Strom kann dieselbe Leistung ergeben wie eine niedrige Spannung bei hohem Strom. Für unterschiedliche Anwendungen können mal höhere Spannungen, mal höhere Ströme vorteilhafter sein, aber letztlich zählt die resultierende Leistung.