Temperaturkoeffizient Solarmodul: Werte und Berechnung

Was ist der Temperaturkoeffizient bei Solarmodulen?

Der Temperaturkoeffizient beschreibt, wie stark sich die Leistung eines Solarmoduls ändert, wenn sich die Temperatur der Zellen um ein Grad ändert. Er steht im Datenblatt als Prozentwert je Grad Celsius oder je Kelvin, was dasselbe bedeutet. Ein Wert von -0,29 %/°C heißt: Mit jedem Grad, das die Zellen wärmer werden, sinkt die Leistung um 0,29 %.

Der Bezugspunkt ist immer 25 °C Zelltemperatur. Bei dieser Temperatur wird die Nennleistung eines Moduls im Labor gemessen, zusammen mit einer Einstrahlung von 1.000 Watt je Quadratmeter. Diese Normbedingungen heißen STC. Auf dem Dach sind die Zellen an sonnigen Tagen fast immer wärmer, weshalb die Nennleistung dort selten erreicht wird.

Das Minuszeichen ist bei allen gängigen Solarmodulen gleich. Unterschiede gibt es in der Höhe: Ein Modul mit -0,26 % verliert bei Hitze spürbar weniger als eines mit -0,35 %. An kalten, klaren Tagen dreht sich der Effekt um. Dann liegt die Zelltemperatur unter 25 °C und das Modul kann mehr leisten, als im Datenblatt steht.

Welche drei Temperaturkoeffizienten stehen im Datenblatt?

Im Datenblatt eines Solarmoduls stehen drei Temperaturkoeffizienten: einer für die Leistung, einer für die Spannung und einer für den Strom. Sie haben unterschiedliche Vorzeichen und werden für unterschiedliche Zwecke gebraucht.

Richtwerte für klassische Siliziumzellen nach dem Lehrwerk PVEducation. Module aus jüngerer Fertigung liegen bei der Leistung meist besser, siehe Vergleich der Zelltechnologien.

Für den Ertrag zählt der Koeffizient der Leistung. Er fasst zusammen, was Spannung und Strom gemeinsam bewirken. Wenn in Angeboten oder Tests nur von „dem" Temperaturkoeffizienten die Rede ist, ist dieser Wert gemeint.

Der Koeffizient der Leerlaufspannung ist für die Planung wichtig. Bei Kälte steigt die Spannung, und an einem klaren Frosttag darf die Spannung aller Module eines Strangs die Grenze des Wechselrichters nicht überschreiten. Wie man das rechnet, zeigt der Beitrag zur Reihenschaltung. Der Kurzschlussstrom steigt mit der Temperatur leicht an, der Effekt ist aber so klein, dass er den Spannungsverlust nicht ausgleicht.

Wie heiß wird ein Solarmodul?

Ein Solarmodul wird in der Sonne deutlich wärmer als die Luft, an einem Sommertag mit 30 °C rund 65 °C. Der Grund: Nur ein Teil des Lichts wird zu Strom, der größere Rest zu Wärme. Für den Temperaturkoeffizienten zählt deshalb nie die Lufttemperatur, sondern die Temperatur der Zellen.

Wie warm ein Modul im Betrieb wird, verrät eine zweite Angabe im Datenblatt: die Betriebstemperatur der Zelle, kurz NOCT. Sie wird nach PVEducation bei 800 Watt Einstrahlung je Quadratmeter, 20 °C Lufttemperatur, leichtem Wind von 1 m/s und offener Rückseite gemessen. Ein typisches Modul erreicht dabei 48 °C, in den Vergleichsmessungen lag das beste bei 33 °C und das schlechteste bei 58 °C.

Aus diesem Wert lässt sich die Zelltemperatur für andere Wetterlagen abschätzen. Die übliche Näherungsformel zählt zur Lufttemperatur einen Aufschlag, der mit der Einstrahlung wächst. Bei einem Modul mit 48 °C NOCT sind das bei voller Sonne 35 Grad.

Die Tabelle zeigt, warum die Nennleistung auf dem Dach so selten erreicht wird. Bei voller Sonne müsste es draußen etwa minus 10 °C haben, damit die Zellen bei 25 °C bleiben. Wind kühlt die Module zusätzlich, bei Windstille werden sie wärmer als berechnet.

Wie berechnet man den Leistungsverlust durch Temperatur?

Den Leistungsverlust durch Temperatur berechnet man in zwei Schritten: erst den Abstand der Zelltemperatur zu 25 °C bestimmen, dann mit dem Temperaturkoeffizienten der Leistung multiplizieren. Das Ergebnis ist die Änderung in Prozent der Nennleistung.

Ein Beispiel für den Sommer: Ein Modul hat 440 Watt Nennleistung und einen Koeffizienten von -0,29 % je Grad. Die Zellen sind 65 °C warm, also 40 Grad über der Normtemperatur. 40 mal -0,29 % ergibt -11,6 %. Bei voller Einstrahlung liefert das Modul damit rund 389 Watt statt 440 Watt.

Und eines für den Winter: An einem klaren Frosttag bleiben die Zellen desselben Moduls bei 5 °C, also 20 Grad unter der Normtemperatur. Minus 20 mal -0,29 % ergibt +5,8 %. Scheint die Sonne mit voller Stärke, wären das rund 466 Watt. In der Praxis ist die Einstrahlung im Winter meist schwächer, sodass dieser Wert nur kurzzeitig erreicht wird.

Welche Zelltechnologie hat den besten Temperaturkoeffizienten?

Den besten Temperaturkoeffizienten haben Heterojunction-Module, gefolgt von Rückkontaktmodulen, TOPCon und PERC. Das zeigen die Labortests von Kiwa PVEL, einem unabhängigen Prüflabor, das die Koeffizienten vieler Modultypen selbst misst. Die Werte unten sind die mittleren Messwerte je Technologie über drei Testjahrgänge.

Der Abstand zwischen den Technologien ist kleiner, als manche Werbung nahelegt. Zwischen dem besten und dem schwächsten Mittelwert liegen an einem heißen Tag 2,4 Prozentpunkte, bei einem Modul mit 440 Watt sind das rund 10 Watt. Kiwa PVEL weist außerdem darauf hin, dass für Heterojunction- und Rückkontaktmodule deutlich weniger Proben vorliegen als für PERC und TOPCon.

Für Heterojunction-Zellen bestätigt die Forschung den Vorsprung. Eine Arbeit von Forschern der Hochschule EPFL und des Forschungszentrums CSEM nennt für diese Zellen Koeffizienten von -0,23 bis -0,29 % je Grad. Im einzelnen Datenblatt kann der Wert vom Mittel abweichen. Maßgeblich ist immer die Angabe für das konkrete Modul. Mehr zu den Bauarten steht in den Beiträgen zu PERC und zu monokristallinen Solarmodulen.

Warum verlieren Solarzellen bei Wärme Leistung?

Solarzellen verlieren bei Wärme Leistung, weil ihre Spannung sinkt. In einem warmen Halbleiter bewegen sich die Ladungsträger stärker, und mehr von ihnen gehen verloren, bevor sie als Strom genutzt werden. Dieser innere Verluststrom wächst schnell: Nach PVEducation verdoppelt er sich bei Silizium in der Nähe der Raumtemperatur etwa alle 10 Grad. Die Folge ist eine niedrigere Spannung an der Zelle.

In Zahlen: Die Leerlaufspannung einer Siliziumzelle fällt um rund 2,2 mV je Grad. Bei einer Zellspannung von rund 0,7 Volt entspricht das nach eigener Rechnung etwa 0,3 % je Grad. Der Strom steigt gleichzeitig nur um 0,06 % je Grad. Unter dem Strich bleibt ein Minus bei der Leistung.

Daraus erklärt sich auch, warum neuere Zelltypen besser abschneiden. Je höher die Spannung einer Zelle von Haus aus ist, desto weniger fällt derselbe Verlust in Millivolt ins Gewicht. Die Forscher um die EPFL beschreiben genau diesen Zusammenhang: Eine höhere Leerlaufspannung führt zu einem kleineren Temperaturkoeffizienten. Heterojunction-Zellen erreichen besonders hohe Spannungen, weil ihre Oberflächen sehr gut gegen Verluste geschützt sind.

Praxis: Temperaturverluste klein halten

Temperaturverluste lassen sich auf zwei Wegen klein halten: die Module kühler betreiben oder Module wählen, die Wärme besser vertragen. Der erste Weg wirkt meist stärker, weil der Einbau über 10 Grad und mehr entscheidet, die Zelltechnologie aber nur über Zehntelprozente je Grad.

Am wichtigsten ist Luft hinter den Modulen. Eine Aufdachanlage mit Abstand zur Dachhaut gibt Wärme nach hinten ab, die Luft steigt im Spalt nach oben und zieht kühlere nach. Wie das funktioniert, erklärt der Beitrag zur Hinterlüftung. Bei Indach-Modulen fehlt dieser Luftstrom weitgehend. Wer sich aus optischen Gründen für diese Bauweise entscheidet, sollte beim Temperaturkoeffizienten besonders genau hinsehen.

• Im Datenblatt den Koeffizienten der Leistung suchen, meist als „Temperaturkoeffizient Pmax" bezeichnet.
• Zusätzlich den NOCT-Wert vergleichen: Ein niedriger Wert bedeutet, dass das Modul im Betrieb kühler bleibt.
• Bei Aufdachanlagen darauf achten, dass der Luftspalt unter den Modulen oben und unten offen bleibt.
• Bei Indach-Anlagen und flach aufliegenden Modulen einen Koeffizienten nahe -0,26 % je Grad bevorzugen.
• In der Ertragsprognose nachfragen, ob Temperaturverluste für den Standort berücksichtigt sind.

Wer es genau wissen will, schaut an einem heißen Tag ins Monitoring. Liegt die Leistung bei voller Sonne rund 10 bis 13 % unter der Nennleistung, ist das kein Defekt, sondern der Temperatureffekt. Dazu kommen die übrigen Verluste der Anlage, die in der Performance Ratio zusammengefasst sind. Das Fraunhofer ISE nennt dafür im Jahresmittel typischerweise 80 bis 90 %, die erhöhte Betriebstemperatur ist darin bereits enthalten.

Wie wichtig ist der Temperaturkoeffizient beim Modulkauf?

Der Temperaturkoeffizient ist ein nützlicher Vergleichswert, aber kein Hauptkriterium für ein Hausdach in Deutschland. An einem heißen Sommertag macht der Unterschied zwischen einem durchschnittlichen und einem sehr guten Modul gut zwei Prozentpunkte Leistung aus. Über das Jahr sind die Zellen meist deutlich kühler als 65 °C, der Vorteil schrumpft entsprechend.

Mehr Gewicht bekommt der Wert in drei Fällen: bei dachintegrierten Anlagen, bei flach aufliegenden Modulen auf dem Flachdach und an heißen Standorten. Kiwa PVEL fasst es so zusammen: Bessere Temperaturkoeffizienten führen zu höheren Erträgen, besonders an Standorten mit hohen Temperaturen.

Beim Vergleich von Angeboten gehört der Koeffizient deshalb in eine Reihe mit anderen Kennwerten: Modulwirkungsgrad, Degradation, Garantiebedingungen und Schwachlichtverhalten. Ein Modul, das in allen Punkten solide ist, bringt mehr als eines mit einem Spitzenwert in nur einer Zeile des Datenblatts. Achten Sie darauf, dass wirklich der Wert für die Leistung verglichen wird und nicht der für Strom oder Spannung.

Häufige Fragen

Fazit

Der Temperaturkoeffizient sagt, wie gut ein Solarmodul Hitze verträgt. An einem Sommertag mit 65 °C Zelltemperatur gehen je nach Modul rund 10 bis 13 % der Nennleistung verloren. Das ist normal und in jeder seriösen Ertragsprognose eingerechnet.

Für die Kaufentscheidung heißt das: Werte um -0,30 % je Grad oder besser sind gut, der Unterschied zwischen den Zelltechnologien ist real, aber klein. Mehr bringt es, die Module kühl zu halten, also für Luft im Rücken zu sorgen. Bei Indach-Anlagen und flach aufliegenden Modulen lohnt der Griff zum besseren Koeffizienten. Wie viel Ertrag Ihr Dach insgesamt liefern kann, zeigt der Solarrechner.

Quellen und Methodik

Die physikalischen Richtwerte und die Angaben zur Betriebstemperatur NOCT stammen aus dem Lehrwerk PVEducation, die Koeffizienten je Zelltechnologie aus den Labormessungen des Prüflabors Kiwa PVEL, die Spanne für Heterojunction-Zellen aus einer Forschungsarbeit von EPFL und CSEM. Alle Zelltemperaturen, Verluste in Prozent, Wattangaben und der Rechner sind eigene Rechnungen mit der üblichen NOCT-Näherungsformel und gelten für frei hinterlüftete Module. Für Dünnschichtmodule lagen keine unabhängigen Messwerte vor, sie fehlen deshalb im Vergleich. Solar.red hat keine eigenen Messungen durchgeführt.

1. PVEducation (Honsberg, Bowden): Effect of Temperature - Temperaturverhalten von Spannung, Strom und Leistung bei Silizium
2. PVEducation (Honsberg, Bowden): Nominal Operating Cell Temperature - Messbedingungen und typische Werte von NOCT, Einfluss der Dachintegration
3. Kiwa PVEL: PV Module Reliability Scorecard, PAN Performance - gemessene Temperaturkoeffizienten nach Zelltechnologie
4. Cattin, Dupré, Aïssa, Haschke, Ballif, Boccard: Optimized Design of Silicon Heterojunction Solar Cells for Field Operating Conditions - Koeffizienten von Heterojunction-Zellen, Zusammenhang mit der Leerlaufspannung
5. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Normbedingungen und Performance Ratio