Hot-Spot im Solarmodul: Ursachen, Erkennung und Schutz

Was ist ein Hot-Spot?

Ein Hot-Spot ist eine eng begrenzte Stelle in einem Solarmodul, die im Betrieb deutlich heißer wird als die Zellen daneben. Die betroffene Zelle erzeugt dann keinen Strom mehr, sondern verbraucht ihn und wandelt ihn in Wärme um.

Der Begriff beschreibt einen Fehlerzustand, keine Bauart. Er kann bei jedem Modultyp auftreten, bei kristallinen Modulen ebenso wie bei Dünnschichtmodulen. Bei Dünnschichtmodulen führt die Internationale Energieagentur Hot-Spots durch innere Kurzschlüsse sogar als eigene Fehlerart.

Kleine Temperaturunterschiede sind normal. Innerhalb eines Moduls liegen sie laut Internationaler Energieagentur bei 3 bis 5 Kelvin, über etwa 8 m Dachfläche bei bis zu 13 Kelvin. Der Grund ist die Luft, die unterschiedlich gut an den Modulen vorbeistreicht. Ein Hot-Spot hebt sich davon klar ab: Er kann um Vielfache von 10 Kelvin wärmer sein als seine Umgebung.

Wie entsteht ein Hot-Spot?

Ein Hot-Spot entsteht, wenn eine Zelle weniger Strom liefern kann als die anderen Zellen in ihrer Reihe. Die Zellen eines Moduls sind in Reihe geschaltet. Durch jede Zelle muss also derselbe Strom fließen, wie durch die Glieder einer Kette.

Liegt eine Zelle im Schatten oder ist sie beschädigt, wird sie zum Engpass. Die übrigen Zellen drücken ihren Strom trotzdem hindurch. Die schwache Zelle wird dabei in Sperrrichtung betrieben, Fachleute sprechen von Rückwärtsspannung. Statt Strom zu erzeugen, nimmt sie Leistung auf und heizt sich auf.

Wie viel Leistung das sein kann, beschreibt das Lehrwerk PVEducation: Die verschattete Zelle muss im ungünstigsten Fall ungefähr so viel Leistung als Wärme abführen, wie alle Zellen ihrer Gruppe zusammen erzeugen können.

In manchen Fällen verstärkt sich der Vorgang selbst. Die Wärme bündelt den Strom auf eine immer kleinere Fläche, und die wird noch heißer. Die Internationale Energieagentur beschreibt das als thermisches Durchgehen, an dessen Ende ein Brandfleck auf der Zelle oder der Rückseitenfolie steht.

Ursachen im Überblick

Hot-Spots haben zwei Gruppen von Ursachen: Einflüsse von außen wie Schatten und Schmutz sowie Fehler im Modul selbst. Die äußeren Ursachen lassen sich meist ohne Werkzeug beheben, die inneren nicht.

Zellbrüche sind tückisch, weil man sie nicht sieht. Laut Internationaler Energieagentur lassen sie sich oft nicht einmal durch eine Leistungsmessung direkt nach dem Schaden nachweisen. Kritisch wird es, wenn durch den Bruch ein Teil der Zelle vom Stromkreis getrennt ist. Ab mehr als 8 % abgetrennter Zellfläche besteht nach dem Bericht die Gefahr eines Hot-Spots.

Lötstellen altern durch den täglichen Wechsel von warm und kalt. Beginnt eine Verbindung zu versagen, steigt ihr Widerstand, und die Stelle erwärmt sich, solange Strom fließt. Das kann so weit gehen, dass sich die Folie auf Vorder- oder Rückseite verfärbt.

Folgen für Ertrag und Modul

Ein Hot-Spot kostet zuerst Ertrag und schädigt auf Dauer das Material. Wie stark, hängt von der Ursache ab. Eine feste Prozentzahl gibt es nicht, und seriöse Quellen nennen auch keine.

Springt die Bypass-Diode an, fällt die betroffene Zellgruppe aus. Ein übliches Modul hat drei solcher Gruppen. Die Internationale Energieagentur zeigt an einem Beispiel, dass die Spannung des Moduls dann um ein Drittel sinkt. Der Rest des Moduls und des Strangs arbeitet weiter.

Springt die Diode nicht an, weil sie defekt ist, bleibt die Zelle der vollen Belastung ausgesetzt. Dann drohen laut Bericht Verfärbungen, Brandflecken und im schlimmsten Fall ein Brand. Auch Glasbruch und Hot-Spot hängen zusammen: Ein gebrochenes Glas verursacht Hot-Spots, und Feuchtigkeit dringt ein.

Nicht jede Auffälligkeit führt zu einem Schaden. Die Internationale Energieagentur hält fest, dass im Wärmebild gefundene Fehler nicht zwangsläufig Leistung kosten. Sie können sich aber in den folgenden Jahren dazu entwickeln. Wie Module über die Jahre an Leistung verlieren, erklärt der Beitrag zur Degradation.

Wie groß ist die Brandgefahr?

Ein Hot-Spot kann einen Brand auslösen, aber das geschieht sehr selten. Nach einer Auswertung des Fraunhofer ISE verursachten 0,006 % der Photovoltaikanlagen einen Brand mit größerem Schaden.

Zahlen aus einer Auswertung des Fraunhofer ISE für Deutschland, zitiert in der Studie Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland.

Bestimmte Fehler in stromführenden Teilen können laut Fraunhofer ISE zu Lichtbögen oder kritischen Hot-Spots in einzelnen Zellen führen. Liegt brennbares Material in unmittelbarer Nähe, etwa Dachpappe oder Holz, kann ein Feuer entstehen. Brandquelle waren aber meist fehlerhafte Kabel und Steckverbindungen, nicht die Zellen.

Der gemeinsame Leitfaden von TÜV Rheinland und Fraunhofer ISE schätzt grob, dass je etwa ein Drittel der Schadensfälle auf Fehler der Bauteile, der Planung und der Installation zurückging. Zwei von drei Ursachen entstehen demnach nicht in der Fabrik, sondern bei Planung und Montage.

Hot-Spots erkennen

Am sichersten zeigt ein Wärmebild einen Hot-Spot, also eine Aufnahme mit einer Infrarotkamera. Das Verfahren heißt Thermografie. Vier weitere Anzeichen können Sie selbst bemerken, sie sind aber weniger eindeutig.

Für ein aussagekräftiges Wärmebild nennt die Internationale Energieagentur klare Bedingungen. Die Einstrahlung soll über 600 W/m² liegen, der Himmel wolkenlos sein, der Wind schwach und die Lufttemperatur stabil. Das entspricht einem sonnigen, ruhigen Tag um die Mittagszeit.

Der Grund: Ein Modul braucht 5 bis 15 Minuten, bis sich seine Temperatur nach einer Wetteränderung eingependelt hat. Zieht eine Wolke durch, stimmt das Bild nicht mehr. Wolken, Bäume und Gebäude können sich außerdem im Glas spiegeln und im Bild wie warme Stellen aussehen.

Bei großen Anlagen fliegt eine Drohne die Module ab. Die Internationale Energieagentur nennt als Beispiel eine Anlage mit 4 Megawatt: Mit der Handkamera dauert die Prüfung etwa 15 bis 20 Stunden, mit der Drohne etwa 5 bis 10 Stunden. Auf dem Einfamilienhaus hilft die Drohne vor allem, weil niemand aufs Dach muss. Für solche Messungen im Freien gibt es mit der IEC TS 62446-3 eine eigene technische Regel.

Die Wechselrichter vieler Anlagen zeichnen den Ertrag je Strang auf. Fällt ein Strang gegenüber einem gleich ausgerichteten Nachbarn dauerhaft ab, lohnt der genaue Blick. Noch feiner messen Leistungsoptimierer, die jedes Modul einzeln überwachen.

Wärmebilder richtig deuten

Das Muster im Wärmebild verrät die wahrscheinliche Ursache. Eine einzelne heiße Zelle bedeutet etwas anderes als ein warmer Streifen oder ein ganzes warmes Modul. Die folgende Übersicht fasst die Muster zusammen, die die Internationale Energieagentur für Messungen im Freien beschreibt.

Schutz und Vorbeugung

Der wichtigste Schutz gegen Hot-Spots ist bereits im Modul eingebaut: die Bypass-Diode. Sie sitzt in der Anschlussdose auf der Rückseite und überbrückt eine Zellgruppe, sobald darin eine Zelle zum Engpass wird.

Eine Diode für jede Zelle wäre zu teuer, erklärt das Lehrwerk PVEducation. Deshalb schützt eine Diode eine ganze Gruppe. Bei Siliziumzellen sind es höchstens etwa 15 Zellen je Diode. Je kleiner die Gruppe, desto weniger Leistung kann in einer schwachen Zelle zu Wärme werden.

Die Diode ist allerdings selbst ein Bauteil, das ausfallen kann. Laut Internationaler Energieagentur reagieren die üblichen Dioden empfindlich auf elektrostatische Entladungen und mechanische Belastung. Ein Defekt fällt lange nicht auf, weil die Diode nur bei Schatten oder Zellschäden gebraucht wird.

Die Bauart des Moduls spielt ebenfalls eine Rolle. Halbzellen-Module teilen jede Zelle in zwei Hälften, durch jede Hälfte fließt nur der halbe Strom. Das Modul besteht zudem aus einer oberen und einer unteren Hälfte, die getrennt arbeiten. Fällt Schatten nur auf den unteren Rand, liefert die obere Hälfte weiter. Das mindert die Belastung, ersetzt aber weder Dioden noch Wartung.

Was Sie selbst beeinflussen können, beginnt bei der Planung. Die folgenden Punkte sind Empfehlungen von Solar.red auf Grundlage der genannten Berichte.

• Schattenwurf von Schornstein, Gaube und Bäumen schon bei der Belegung des Dachs berücksichtigen
• Module vor der Montage nicht betreten, nicht fallen lassen und nicht auf der Kante abstellen
• Klemmen nach Vorgabe des Herstellers setzen, damit das Glas nicht unter Spannung gerät
• Hartnäckigen Schmutz wie Vogelkot entfernen, siehe Solarreinigung
• Äußeren Blitzschutz und Überspannungsschutz abstimmen, siehe Blitzschutz für die PV-Anlage
• Zur Inbetriebnahme ein Wärmebild anfertigen lassen und aufbewahren

Der letzte Punkt stammt direkt aus dem Bericht der Internationalen Energieagentur. Für spätere Garantieansprüche soll das erste Wärmebild bei der Inbetriebnahme entstehen. Später lässt sich oft schwer klären, ob ein Schaden auf einen Fehler ab Werk oder auf fehlende Reinigung und Wartung zurückgeht.

Praxis: Was tun bei Verdacht?

Bei Verdacht auf einen Hot-Spot gilt eine feste Reihenfolge: erst die einfache Ursache ausschließen, dann messen lassen, dann über Reparatur oder Garantie entscheiden. So vermeiden Sie einen teuren Einsatz wegen eines Blattes.

1. Vom Boden aus schauenLiegt etwas auf dem Modul? Fällt ein Schatten immer auf dieselbe Stelle?
2. Ertrag vergleichenLiefert ein Strang dauerhaft weniger als ein gleich ausgerichteter?
3. Wärmebild beauftragenAn einem sonnigen, ruhigen Tag, mit schriftlichem Befund.
4. Befund einordnenReinigen, reparieren oder Garantiefall melden.

Ein Beispiel: Auf einem Dach liefert der westliche Strang seit Wochen weniger als der östliche, obwohl beide gleich groß sind. Vom Garten aus ist am unteren Rand eines Moduls eine dunkle Stelle zu sehen. Das Wärmebild zeigt dort eine einzelne heiße Zelle. Nach der Reinigung ist die Zelle unauffällig. Die Ursache war Vogelkot, das Modul ist in Ordnung.

Zeigt das zweite Wärmebild die Stelle weiterhin, liegt der Fehler im Modul. Dann zählt der schriftliche Befund. Mit ihm wenden Sie sich an den Installateur und prüfen die Produktgarantie des Herstellers. Bei einem Schaden durch Hagel, Sturm oder Blitz ist die Photovoltaik-Versicherung der richtige Ansprechpartner.

Wie oft eine Anlage geprüft werden sollte und was dazugehört, beschreibt der Beitrag zur Wartung der Solaranlage.

Häufige Fragen zum Hot-Spot

Fazit

Ein Hot-Spot ist eine überhitzte Stelle im Solarmodul, die entsteht, wenn eine Zelle zum Engpass in ihrer Reihe wird. Meist stecken Schatten oder Schmutz dahinter, seltener ein Zellbruch, eine Lötstelle oder eine defekte Bypass-Diode. Gefährlich wird es vor allem, wenn defekte Diode und Schatten zusammenkommen.

Brände bleiben die Ausnahme: 0,006 % der Anlagen verursachten laut Fraunhofer ISE einen Brand mit größerem Schaden. Wer sein Dach schattenarm plant, sauber montieren lässt, den Ertrag im Blick behält und zur Inbetriebnahme ein Wärmebild aufbewahrt, hat das Wesentliche getan.

Quellen und Methodik

Entstehung, Fehlerbilder, Temperaturunterschiede und die Feldstudie zu Bypass-Dioden stammen aus dem Bericht der Internationalen Energieagentur zu Modulfehlern. Die Bedingungen für Wärmebilder folgen ihrem Bericht zur Infrarot-Prüfung. Die Brandzahlen stammen vom Fraunhofer ISE und gelten für Deutschland. Sie beruhen auf einer älteren Auswertung, neuere amtliche Zahlen in gleicher Tiefe liegen nicht vor. Die Stufentabelle, die Übersicht der Erkennungswege, die Aussagen zu Halbzellen-Modulen und die Checkliste sind Einordnungen von Solar.red. Prozentwerte zum Ertragsverlust nennt der Beitrag bewusst nicht, weil die Quellen keine allgemeingültigen Werte hergeben.

1. Internationale Energieagentur, IEA PVPS Task 13: Review of Failures of Photovoltaic Modules - Entstehung, Brandflecken, Zellbrüche, Bypass-Dioden, Muster im Wärmebild
2. Internationale Energieagentur, IEA PVPS Task 13: Review on Infrared and Electroluminescence Imaging for PV Field Applications - Messbedingungen, Drohne, Wärmebild zur Inbetriebnahme
3. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Brandzahlen, Brandquellen, Lichtbogenerkennung
4. TÜV Rheinland und Fraunhofer ISE: Leitfaden Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen - Verteilung der Schadensursachen
5. PVEducation: Bypass Diodes - Wirkung der Bypass-Diode, Zellen je Diode, Leistung in der verschatteten Zelle