Solarzelle ohne Sonne testen

Eine Solarzelle lässt sich auch ohne Sonne testen, und zwar mit jeder hellen Lampe im Zimmer. Der verbreitete Satz, ohne Sonnenlicht zeige das Messgerät nichts an, stimmt nicht: Schon bei Raumbeleuchtung liegt an einer Siliziumzelle fast die volle Leerlaufspannung an. Dieses Ergebnis führt allerdings in die Irre, wenn es als Beweis für eine gesunde Zelle gelesen wird. Wo die Spannung noch kaum nachlässt, bricht der Strom um den Faktor zweihundert oder mehr ein. Einsteiger, die ein Modul vom Flohmarkt oder aus einer alten Gartenleuchte prüfen wollen, tappen leicht in diese Falle, weil das Multimeter in beiden Messbereichen plausibel wirkende Zahlen liefert, nur eben ohne Aussage über die Leistung.

Genau an dieser Stelle gehen die meisten Tests schief. Eine Zelle am Fenster oder unter der Küchenleuchte zeigt auf dem Display 4,5 Volt, und das Bauteil gilt schnell als voll funktionsfähig, obwohl es keine Lampe betreiben könnte. Umgekehrt landet manche gesunde Zelle im Müll, weil das Multimeter im Strommessbereich nur 0,3 Milliampere nennt und der Prüfer an einen Defekt glaubt. Beide Fehlschlüsse haben dieselbe Wurzel: Spannung und Strom reagieren völlig verschieden auf das Licht.

Woher die Annahme kommt

Dass Solarzellen die Sonne brauchen, ist im Kern eine Frage der Leistung, nicht der Funktion. Auf Datenblättern steht die Leistung unter Standardbedingungen: 1000 Watt pro Quadratmeter Einstrahlung, 25 Grad Zellentemperatur und ein genau definiertes Spektrum. Weil diese Bedingungen in der Wohnung nie erreicht werden, folgt schnell der Schluss, die Zelle sei ohne Sonne wertlos. Dazu kommt ein Bild aus dem Haushalt: Ein Taschenrechner mit Solarzelle arbeitet am Schreibtisch, eine Gartenleuchte lädt aber im Winter kaum. Beides gilt gleichzeitig, weil der Taschenrechner mit wenigen Mikrowatt auskommt und die Gartenleuchte Hunderte Milliwatt verlangt. Auch die Jahreszeit färbt das Bild: Im Dezember erreicht die Einstrahlung auf eine waagerechte Fläche in Mitteleuropa an wolkenlosen Tagen kaum 250 Watt pro Quadratmeter, an trüben deutlich unter 50, was die Erfahrung mit Gartenleuchten im Winter erklärt.

Ein zweiter Ursprung liegt in den Hobbymessungen selbst. Das Multimeter zeigt im Spannungsbereich schon bei dämmrigem Licht erstaunlich hohe Werte, die als Gesundheitszeichen gedeutet werden. Erst unter Last fällt die Spannung zusammen. Eine Zelle, die im Leerlauf 0,5 Volt liefert, kann unter einem Verbraucher auf 0,1 Volt abstürzen, wenn der Strom nicht ausreicht. So entsteht der Eindruck, das Gerät messe ungenau, während in Wirklichkeit die Betriebsart gewechselt hat. Schon im Schein eines Smartphone-Displays hebt sich die Spannung messbar vom Nullwert ab, während der Strom im Mikroamperebereich bleibt.

Was die Messung unter Zimmerlicht zeigt

Für den Vergleich dient ein kleines Modul mit zehn in Reihe geschalteten Siliziumzellen, angegeben mit 6 Volt und 100 Milliampere bei voller Sonne. Das entspricht einer Leerlaufspannung von etwa 6 Volt und einem Kurzschlussstrom von 100 Milliampere. Bei normaler Büro- oder Wohnzimmerbeleuchtung mit rund 500 Lux kommt nur ein halbes Prozent der Sonnenstrahlung an, und der Kurzschlussstrom folgt dieser Zahl fast proportional: Er sinkt auf ungefähr 0,5 Milliampere. Die Leerlaufspannung dagegen verliert nur den logarithmischen Anteil. Bei zwei Größenordnungen weniger Licht fällt sie pro Zelle um rund 0,13 Volt, also von etwa 0,6 auf 0,47 Volt, und das Modul zeigt immer noch gut 4,7 Volt.

Wird dasselbe Modul im Abstand einer Handbreite vor eine helle Schreibtischlampe gehalten, springt der Strom auf zweistellige Milliampere, während die Spannung kaum steigt. Aus dem Verhältnis lässt sich ablesen, wie viel Licht die Zelle tatsächlich bekommt. Gemessene 25 Milliampere bei einem Nennwert von 100 bedeuten ein Viertel der Sonne, unabhängig davon, was die Spannung vortäuscht. Der Kurzschlussstrom ist damit das ehrliche Maß, die Leerlaufspannung der bloße Funktionsnachweis.

Hinzu kommt der Temperatureinfluss. Pro Grad Erwärmung sinkt die Spannung einer Siliziumzelle um rund zwei Millivolt, der Strom steigt dagegen leicht an. Unter einer heißen Halogenlampe verfälscht das die Leerlaufmessung nach unten, während der Strommesswert nahezu unverändert bleibt. Für Vergleiche sollten beide Zellen deshalb dieselbe Temperatur haben, sonst wandert die Messung allein durch die Wärme.

Der Lampentest in der Praxis

Für den Test genügt ein Multimeter mit Milliampere-Bereich. Der Kurzschlussstrom wird gemessen, indem das Gerät als Strommesser unmittelbar an die beiden Anschlüsse der Zelle gelegt wird. Das ist bei kleinen Zellen unproblematisch, denn das Messgerät bildet einen Kurzschluss, und die Zelle liefert im schlimmsten Fall ihren Nennstrom. Bei Modulen über 500 Milliampere muss auf die Absicherung des Messbereichs geachtet werden, sonst brennt die Sicherung im Gerät durch. Die Lampe sollte fest montiert sein, damit sich Abstand und Winkel nicht verändern, und die Zelle liegt am besten auf einer dunklen Unterlage, damit keine Reflexe zurückfallen.

Aussagekräftig wird der Versuch durch eine kleine Messreihe. Eine punktförmige Lampe folgt dem Abstandsgesetz: Verdoppelt sich der Abstand, fällt die Beleuchtungsstärke auf ein Viertel, und der Kurzschlussstrom sinkt im gleichen Verhältnis. Zeigt das Gerät bei 20 Zentimetern 24 Milliampere, sollten es bei 40 Zentimetern rund 6 sein. Weicht der Wert stark ab, liegt ein Kontaktproblem oder eine teilweise verschattete Zelle vor. Auch die Lampenart zählt: Glühlampen und Halogenstrahler geben einen großen Teil ihrer Energie als Infrarot ab, das Silizium bis etwa 1100 Nanometer verwertet, während Leuchtstofflampen und LEDs kaum Infrarot liefern. Dieselbe Zelle erreicht darum unter Halogenlicht bei gleicher Lux-Zahl mehr Strom als unter einer LED.

Wo der Kern der Annahme stimmt

Ganz falsch ist der Satz von der nötigen Sonne also nicht. Er trifft zu, sobald Leistung gefragt ist. Eine Zelle mit 0,5 Milliampere kann einen Taschenrechner oder einen Funkthermometer-Sensor versorgen, aber kein Handy laden, das mindestens einige hundert Milliampere zieht. Für alles oberhalb dieser Größenordnung braucht es entweder ungefiltertes Sonnenlicht oder einen Strahler mit ordentlicher Leistung. Auch der Lampentyp spielt mit: Halogenlicht strahlt viel Infrarot ab und füttert Silizium gut, Leuchtstofflampen liefern deutlich weniger nutzbares Licht pro Lux. Auch der Aufbau des Moduls entscheidet: Zellen in Reihe addieren ihre Spannungen, aber die schwächste Zelle begrenzt den Strom. Beschattet eine einzige Zelle einen Teil des Moduls, bricht die Leistung überproportional ein, bei Modulen mit Bypassdioden immerhin nur um den betroffenen Strang. Genau diese Eigenschaft nutzt der Test mit dem Abdecken.

In der Praxis bewährt sich daher eine kurze Prüffolge. Die Folge belegt in wenigen Minuten, ob eine unbekannte Zelle brauchbar ist, ohne auf einen sonnigen Tag zu warten:

• Leerlaufspannung unter einer Lampe messen und mit Zellenzahl mal 0,5 Volt vergleichen.
• Kurzschlussstrom im Milliamperebereich messen und auf Lichtmenge hochrechnen.
• Die Zelle kurz abschatten: Fällt der Strom stark, funktioniert sie, bleibt er gleich, liegt ein Fehler vor.
• Bei Modulen jede Zelle einzeln abdecken, um defekte Bahnen zu finden.

Für genaue Wirkungsgrade führt an einer Messung mit Referenzzelle oder echter Sonne kein Weg vorbei. Für den Funktionstest reicht die Lampe völlig aus, und sie liefert binnen Minuten die nötige Gewissheit über den Zustand der Zelle.