Schwachlichtverhalten von PV-Modulen: Erträge bei Wolken und diffuser Strahlung

Die auf dem Datenblatt ausgewiesene kWp Nennleistung wird unter optimalen Laborbedingungen ermittelt – den sogenannten Standard-Testbedingungen (STC) bei 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) Einstrahlung. In der Realität auf dem heimischen Hausdach herrschen diese perfekten Bedingungen jedoch selten. Die meiste Zeit arbeiten Solarmodule im Teillastbereich. 

Besonders in Mitteleuropa hat dieser Teillastbereich eine enorme wirtschaftliche Bedeutung: In Deutschland bestehen rund 60 Prozent der jährlichen Sonneneinstrahlung aus sogenannter diffuser Strahlung, also Licht, das durch Wolken, Nebel, Smog oder in den Morgen- und Abendstunden stark gestreut wurde. Wie effizient ein Solarmodul aus diesem geringen Lichtangebot noch nutzbaren Strom generiert, wird als Schwachlichtverhalten bezeichnet.

Von Schwachlicht spricht man in der Photovoltaik typischerweise, wenn die Strahlungsstärke unter 200 Watt pro Quadratmeter (W/m²) fällt. Die Diffusstrahlung liefert unter diesen Bedingungen einen Beitrag zum Jahresertrag, der in etwa so groß ist wie der der direkten Sonneneinstrahlung – ein Effekt, der umso stärker ins Gewicht fällt, je weiter nördlich sich die Solaranlage befindet. 

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, unter welchen Bedingungen Ihre Anlage die meiste Zeit des Jahres arbeitet, hilft ein Blick auf die typischen Einstrahlungswerte bei verschiedenen Wetterlagen:

Um das Ertragsverhalten bei suboptimalen Verhältnissen normiert zu messen, gibt die Industrie eine Einstrahlung von exakt 200 W/m² bei ansonsten konstanten Laborbedingungen (25 °C Temperatur, Air Mass 1,5) vor. Das Schwachlichtverhalten beschreibt dabei den prozentualen (relativen) Wirkungsgradabfall des Moduls im Vergleich zur vollen Einstrahlung.

Warum brechen Module bei wenig Licht unterschiedlich stark ein? Die Antwort liegt in der mikroskopischen Zellphysik. Das Schwachlichtverhalten wird im Wesentlichen durch drei Faktoren bestimmt: den Serienwiderstand (Rs), den Shunt-Widerstand (Parallelwiderstand, Rsh) und den Idealitätsfaktor der Diode.

Das Geheimnis ist der Shunt-Widerstand: Während der Serienwiderstand vor allem bei voller Sonneneinstrahlung (und hohen Strömen) zu Verlusten führt, dominiert der Shunt-Widerstand das Verhalten bei Schwachlicht. Der Shunt-Widerstand beschreibt unerwünschte "Leckströme" innerhalb der Solarzelle. Treffen an einem wolkigen Tag nur sehr wenige Lichtteilchen (Photonen) auf die Zelle, wird nur ein geringer Strom erzeugt. Ist der Shunt-Widerstand der Zelle nun niedrig, fließt dieser ohnehin schon geringe Strom als Leckstrom intern ab, anstatt nutzbar nach außen ins Kabel geleitet zu werden.

Hochwertige N-Typ-Siliziumwafer (wie TOPCon oder HJT) weisen eine extrem hohe Materialreinheit auf. Diese Reinheit sorgt für einen gigantisch hohen Shunt-Widerstand. Die interne Ladungsträgerrekombination wird minimiert, sodass selbst der geringste Stromfluss aus diffusem Licht fast verlustfrei an den Wechselrichter weitergegeben wird.

Lange Zeit hielt sich in der Branche der Mythos, dass amorphe Dünnschichtmodule oder alte polykristalline Zellen an stark bewölkten Tagen die beste Wahl seien. Tatsächlich ist der relative Modulwirkungsgrad von Dünnschicht- oder polykristallinen Modulen bei unter 200 W/m² auf dem Papier oft leicht besser als bei modernen Hochleistungsmodulen.

Experten warnen jedoch: Der isolierte Blick auf das relative Schwachlichtverhalten ist ein Trugschluss. Viel entscheidender für den tatsächlichen Stromertrag im Haus ist der absolute Basis-Wirkungsgrad aus unserem Modulwirkungsgrad-Vergleich.

Der unbestechliche Beweis in Zahlen: Nehmen wir ein älteres polykristallines Modul mit einem Labor-Wirkungsgrad von 19 Prozent. Bei regnerischen 200 W/m² erbringt es sensationelle 97 Prozent seiner relativen Leistung. Der tatsächliche, absolute Wirkungsgrad sinkt in diesem Moment jedoch auf 18,43 Prozent. Vergleichen wir dies mit einem hochmodernen HJT-Modul (Heterojunction) mit gigantischen 22 Prozent Labor-Wirkungsgrad. Sein relatives Schwachlichtverhalten ist mit 94 Prozent auf dem Papier scheinbar schlechter. Rechnet man diesen Abfall jedoch auf die 22 Prozent Basiswirkungsgrad an, liefert es bei starker Bewölkung einen absoluten Wirkungsgrad von 20,68 Prozent.

Das Fazit: Das vermeintlich "schlechtere" HJT-Modul produziert an einem Regentag in absoluten Kilowattstunden deutlich mehr Strom als das Poly-Modul, das mit seinem relativen Schwachlichtverhalten beworben wird!

Hinweis zur Auswertung: Ein hoher relativer Schwachlicht-Wert nützt nichts, wenn der STC-Basiswirkungsgrad zu niedrig ist. Für den Ertrag auf dem Dach zählt letztlich nur die rechte Spalte.

Während früher häufig feste Prozent-Angaben zur Leistung bei 200 W/m² auf den Datenblättern abgedruckt waren, verzichten heute viele Premium-Hersteller auf diesen isolierten Einzelwert. Das erschwert den direkten Vergleich für Laien.

Der Trick der Solarteure: Werfen Sie einen Blick auf die Spannungs-Leistungs-Kurve (UP-Kennlinie) oder die Strom-Spannungs-Kurve (UI-Kennlinie), die zwingend auf der Rückseite jedes guten Modul-Datenblatts abgebildet sein muss. Dort finden Sie mehrere Kurven, die übereinanderliegen – jede steht für eine andere Einstrahlungsstärke (z. B. 1000, 800, 600, 400 und 200 W/m²). Folgen Sie der untersten Kurve (meist die 200 W/m²-Linie) bis zu ihrem höchsten Punkt (dem Maximum Power Point). Lesen Sie den dort abgebildeten Leistungswert auf der vertikalen Achse ab. Teilt man diesen abgelesenen Wert durch exakt ein Fünftel der offiziellen Nennleistung (da 200 W/m² ein Fünftel der 1000 W/m² Laborbedingung sind), erhält man das exakte relative Schwachlichtverhalten dieses Moduls – ganz ohne Werbeversprechen des Herstellers.

Was bedeutet Schwachlichtverhalten bei Solarmodulen?
Das Schwachlichtverhalten beschreibt, wie effizient ein PV-Modul Sonnenlicht in Strom umwandelt, wenn die Sonneneinstrahlung stark reduziert ist (zumeist definiert als Einstrahlung von exakt 200 W/m²). Es gibt an, wie viel Prozent seines Basis-Wirkungsgrades das Modul bei dicht bewölktem Himmel, im Regen oder in der Dämmerung noch aufrechterhalten kann.

Warum ist das Schwachlichtverhalten in Deutschland so wichtig?
In Deutschland herrschen selten die perfekten Laborbedingungen von strahlend blauem Himmel und 1.000 W/m² Einstrahlung. Tatsächlich bestehen rund 60 Prozent der jährlichen Sonneneinstrahlung in Deutschland aus diffusem, schwachem Licht. Die physikalische Effizienz des Moduls bei grauem Wetter (bestimmt durch den Shunt-Widerstand) trägt also maßgeblich zum Jahresgesamtertrag der Photovoltaikanlage bei.

Welche Solarmodule haben das beste Schwachlichtverhalten?
Zwar haben alte amorphe Dünnschichtmodule oder polykristalline Module oft einen minimal geringeren prozentualen (relativen) Leistungsabfall bei Wolken. Da moderne monokristalline N-Typ-Module (wie TOPCon oder HJT) aber einen viel höheren absoluten Grundwirkungsgrad besitzen, produzieren sie an einem Regentag in absoluten Zahlen den mit Abstand meisten Strom.

Wo finde ich das Schwachlichtverhalten auf dem Datenblatt?
Ein konkreter Prozentwert für das Schwachlichtverhalten wird heute oft nicht mehr als einfache Textzeile auf das Datenblatt gedruckt. Stattdessen können Anlagenplaner die Leistungsabnahme anhand der grafischen Spannungs-Leistungs-Kurve (der sogenannten UP-Kennlinie) für geringe Einstrahlungen (z. B. der Kurvenverlauf bei 200 W/m²) ablesen und selbst berechnen.