Hotspots in Solarmodulen

Wie ein Hotspot entsteht

In einem Solarmodul sind die Zellen in Reihe geschaltet, bei einem Modul mit 144 Halbzellen in sechs Teilstrings zu je 24 Zellen. Durch alle Zellen eines Teilstrings fließt derselbe Strom. Liefert eine Zelle weniger Strom als die anderen, weil sie verschattet, gerissen oder schlecht kontaktiert ist, zwingen die übrigen Zellen ihren Strom trotzdem durch sie hindurch. Die schwache Zelle gerät in Sperrrichtung, wird vom Generator zum Verbraucher und setzt die Leistung der anderen Zellen in Wärme um. Bei einem Stringstrom von 13 A und einer Sperrspannung von 10 bis 15 V sind das 130 bis 200 W auf wenigen Quadratzentimetern.

Die wichtigsten Auslöser:

Fraunhofer CSP zeigt im Projekt SegmentPV, dass wiederkehrende Teilverschattung in Kombination mit lokalen Zelldefekten das Hotspot-Risiko deutlich erhöht, weil sich der Sperrstrom auf den kleinsten noch leitfähigen Bereich konzentriert.

Bypass-Dioden: Schutz mit Grenzen

Jeder Teilstring hat eine antiparallel geschaltete Bypass-Diode in der Anschlussdose. Steigt die Sperrspannung an einer verschatteten Zelle über die Summe der Spannungen der übrigen Zellen des Teilstrings, wird die Diode leitend und führt den Stringstrom am Teilstring vorbei. Die verschattete Zelle wird dann nur noch mit begrenzter Leistung belastet. Der Preis: Der gesamte Teilstring fällt aus, bei drei Dioden also ein Drittel des Moduls.

Bei Halbzellenmodulen sind die beiden Modulhälften parallel geschaltet, sodass bei Verschattung der unteren Hälfte die obere weiterarbeitet. Das halbiert den Ertragsverlust und die Hotspot-Leistung, weil der Zellstrom nur halb so groß ist.

Die Dioden selbst sind thermisch belastet: Im Bypass-Betrieb fließen 13 bis 18 A durch ein Bauteil in einer geschlossenen Kunststoffdose auf einem 60 °C warmen Dach. Fraunhofer-Untersuchungen zeigen, dass dauerhafter Betrieb oberhalb von 130 °C die Kontakte integrierter Dioden innerhalb kurzer Zeit schädigt. Eine durchlegierte Diode schließt den Teilstring dauerhaft kurz (Ertragsverlust), eine unterbrochene Diode hebt den Schutz auf. Letzteres ist die gefährlichere Variante, weil der nächste Schatten die volle Sperrspannung an die Zelle legt.

Erkennung

Thermografie ist das Standardverfahren. Nach IEC TS 62446-3 wird bei mindestens 600 W/m² Einstrahlung, möglichst windstill und unter Last gemessen, mit einer Kamera von mindestens 320 mal 240 Pixeln. Für größere Anlagen erfolgt die Aufnahme per Drohne. Die Norm klassifiziert thermische Auffälligkeiten nach Muster und Temperaturdifferenz zur Umgebung:

Details zum Verfahren im Eintrag Thermografie bei PV-Anlagen.

Elektrolumineszenz (EL) ergänzt die Thermografie: Das Modul wird in Durchlassrichtung bestromt und leuchtet im nahen Infrarot. Risse, inaktive Zellbereiche und Kontaktfehler erscheinen dunkel. EL zeigt die Ursache, Thermografie die Auswirkung. Das Forschungsprojekt PV-Riss hat 2025 eine Bewertungsmatrix veröffentlicht, mit der Zellrisse nach Fläche und Lage in unkritisch, beobachtungsbedürftig und mangelhaft eingestuft werden, um Streit zwischen Betreibern, Herstellern und Versicherern zu vermeiden.

IV-Kennlinienmessung am String zeigt Hotspots als Stufen in der Kennlinie, wenn Bypass-Dioden aktiv sind. Sie lokalisiert den Fehler aber nicht.

Im Monitoring fallen Hotspots meist nicht auf: Ein einzelner Teilstring in Bypass kostet weniger als ein Prozent des Anlagenertrags.

Folgen

Die Schadenskette beginnt bei der Verkapselungsfolie. Ab etwa 85 bis 100 °C altert EVA beschleunigt, verfärbt sich braun und löst sich von der Zelle (Delamination). Darunter korrodieren Zellverbinder, der Übergangswiderstand steigt, die Erwärmung nimmt zu. Bei Temperaturen über 150 °C kann das Frontglas durch thermische Spannung reißen. Im äußersten Fall entzündet sich die Rückseitenfolie oder die Anschlussdose; Hotspots in Anschlussdosen gehören zu den dokumentierten Brandursachen bei PV-Anlagen, siehe Brandschutz bei PV-Anlagen.

Der Leistungsverlust bleibt lange moderat: Eine gerissene Zelle mit 10 Prozent inaktiver Fläche kostet im Teilstring kaum Leistung, solange die Diode nicht anspricht. Erst wenn die Zelle so stark geschädigt ist, dass der Teilstring dauerhaft überbrückt wird, fehlt ein Drittel des Moduls. Deshalb werden Hotspots oft erst nach Jahren bei einer Thermografie-Inspektion entdeckt, nicht über die Ertragsdaten.

Prüfnorm und Garantie

Der Hot-Spot-Dauertest MQT 09 in IEC 61215-2 setzt das Modul im Labor einer gezielten Worst-Case-Verschattung aus und prüft, ob danach Leistung und Isolation innerhalb der Grenzen bleiben. Jedes zertifizierte Modul hat diesen Test bestanden. Er belegt aber nur, dass das Design mit intakter Diode Hotspots übersteht, nicht, dass ein Modul mit Transportrissen oder gealterter Diode im Feld sicher bleibt.

Für die Garantie zählt die Ursache. Fertigungsbedingte Zellrisse, defekte Dioden und Lötfehler sind Produktmängel und innerhalb der Produktgarantie (meist 12 bis 25 Jahre) reklamierbar. Verschattung, Verschmutzung, Montagefehler und Hagel sind es nicht; hier greift allenfalls die PV-Versicherung. Hersteller verlangen für die Reklamation Thermografie- und EL-Aufnahmen, Seriennummer, Flasherdaten bei Lieferung und oft eine unabhängige Leistungsmessung. Ein gerichtsfestes Gutachten orientiert sich an der PV-Riss-Matrix und an IEC TS 62446-3.

Vermeidung

• Planung: Verschattung durch Kamine, Antennen, Nachbargebäude und Bäume ausschließen oder die betroffenen Module auf eigene Strings legen. Modulausrichtung so wählen, dass Schatten quer zu den Teilstrings statt längs wandert.
• Modulwahl: Halbzellen mit mindestens drei Bypass-Dioden, bei Dachflächen mit unvermeidbarem Schatten Module mit zellintegrierten Dioden oder Leistungsoptimierer.
• Transport und Montage: Module nicht betreten, nicht auf Ecken absetzen, Klemmen nur in den freigegebenen Bereichen. Die meisten Zellrisse entstehen vor der Inbetriebnahme.
• Betrieb: Vogelkot und Laub entfernen, Schneelast beachten, Anlage alle zwei bis vier Jahre thermografisch prüfen, bei Gewerbeanlagen jährlich. Eine Drohnenbefliegung kostet einen Bruchteil eines Modultauschs mit Gerüst.