Saison der Verschattung und Verschmutzung: Wie können Laub und Vogelkot Hotspots bei PV-Modulen auslösen?

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
2. Wie entstehen Hotspots in Photovoltaikmodulen?
3. Welche Arten von Verschmutzung verursachen am häufigsten Hotspots?
4. Welche Auswirkungen haben Hotspots auf PV-Anlagen?
5. Wie erkennt und behebt man Hotspots?
6. Wie kann man Hotspots systematisch vorbeugen?

Einleitung

Sobald der Herbst und Winter Einzug halten, sind Photovoltaikanlagen – sowohl bei Unternehmen als auch bei Privathaushalten – vermehrt durch Verschmutzungen und Abschattungen beeinträchtigt. Häufige Ursachen wie Vogelkot, Laubansammlungen oder Staubablagerungen können dabei unerwartete Folgen haben. Warum führt eine lokale Abschattung zur Erwärmung eines ganzen Moduls? Und wie kann ein kleiner Fleck den Ertrag eines gesamten Solarkraftwerks mindern?

Im Vergleich zu Starkregen oder Hitzewellen sind durch Verschmutzung verursachte Hotspots deutlich schwerer zu erkennen – und werden deshalb oft unterschätzt. Auch wenn sie nicht sofort sichtbare Schäden verursachen, können sie im Dauerbetrieb zu einer gefährlichen Wärmeentwicklung führen, die sich in Leistungsabfall, Glasbruch oder gar dem Ausfall des Moduls äußert. Tritt dann eine Störung auf, lässt sich die eigentliche Ursache kaum noch zurückverfolgen.

Solche Hotspot-Probleme aufgrund von Abschattungen sind keine Einzelfälle, sondern ein strukturelles Risiko. Ohne rechtzeitige Erkennung und gezielte Prävention treten sie in der Hochsaison immer wieder auf und beeinträchtigen die Betriebssicherheit und Energieerträge von PV-Anlagen nachhaltig.

1. Wie entstehen Hotspots in Photovoltaikmodulen?

Ein Hotspot bezeichnet eine lokal überhitzte Stelle innerhalb eines PV-Moduls, die durch übermäßige Wärmeentwicklung einer einzelnen Solarzelle entsteht. Die Ursache liegt dabei nicht primär in der Temperatur, sondern in der Abschattung. Wird eine Zelle durch Vogelkot, Laub oder anderen Schmutz verdeckt, kann sie keinen Strom mehr erzeugen. Der Stromfluss wird gestört, es entsteht eine Rückwärtsspannung, und die betroffene Zelle verwandelt sich von einer Energiequelle in einen Energieverbraucher – sie erhitzt sich und ein Hotspot entsteht.

Das Problem betrifft nicht nur die einzelne Zelle: Um eine höhere Spannung zu erzielen, werden in einem Modul typischerweise 60–100 Zellen in Reihe geschaltet, mehrere Module wiederum zu einem String verbunden. Wird auch nur eine Zelle im Stromfluss eingeschränkt, sinkt der Strom im gesamten String. Schon eine Abschattung von lediglich rund 5 % der Modulfläche kann zu über 30 % Ertragsverlust führen. Je konzentrierter die Abschattung und je höher der Strom, desto schneller und stärker tritt der Hotspot-Effekt auf.

Bypass-Dioden dienen dazu, bei starker Abschattung die betroffenen Bereiche zu überbrücken. Sie reagieren jedoch erst, wenn sich eine Rückwärtsspannung von 0,5 bis 0,7 V aufgebaut hat. In Fällen konzentrierter Verschattung – etwa durch Vogelkot – entsteht der Hotspot meist, bevor die Diode eingreift. Wenn das Moduldesign oder die Umgebungsbedingungen nicht entsprechend angepasst sind, können Hotspots wiederholt auftreten und langfristige Schäden wie Delamination, Lötstellenkorrosion oder Glasbrüche verursachen.

2. Welche Arten von Verschmutzung begünstigen Hotspots bei PV-Modulen?

Vogelkot-Verschmutzung

Vogelkot gilt als der typischste und risikoreichste Auslöser von Hotspots in PV-Anlagen. Das zentrale Problem liegt nicht in der Fläche der Abschattung, sondern in der punktuellen Konzentration und der vollständigen Lichtundurchlässigkeit. Bereits ein kleiner Fleck, der eine einzelne Solarzelle vollständig bedeckt, kann den Stromfluss in der Serienschaltung empfindlich stören.

Da alle Zellen innerhalb eines Moduls in Reihe verschaltet sind, muss der Strom gleichmäßig durch jede Zelle fließen. Wird eine Zelle durch Vogelkot blockiert, kann sie keinen Photostrom erzeugen. Der Strom wird dennoch erzwungen, wodurch die Zelle in den Rückwärtsbetrieb gerät – ein Hotspot entsteht.

Zusätzlich wirkt Vogelkot wärmedämmend. Die nach Verdunstung verbleibenden organischen Rückstände erschweren die Wärmeabgabe erheblich. Laut DNV liegt die typische lokale Temperaturerhöhung unter Vogelkot bei 35 °C bis 70 °C – deutlich höher als bei anderen Verschmutzungen. Bereits die vollständige Abschattung einer einzigen Zelle (etwa 2 % der Modulfläche) kann die Modulleistung um 25 % bis 30 % reduzieren und einen deutlichen Hotspot auslösen.

Laub-Verschmutzung

Das Risiko durch Laub hängt – im Gegensatz zu Vogelkot – stark von der Verteilungsform und der Dauer der Abdeckung ab. Einzelne Blätter lassen oft noch 20 % bis 40 % des Lichts durch. Bei vereinzelter Auflage sinkt die Einstrahlung, doch bleibt der Stromfluss gleichmäßig, wodurch Hotspots unwahrscheinlich sind.

Problematisch wird es, wenn sich mehrere Blätter anhäufen – insbesondere in feuchtem Zustand. Die Lichtdurchlässigkeit fällt dann schnell unter 10 %. Mehrere Zellen fallen gleichzeitig aus, was zu Stromstaus und Rückwärtsbelastung führt. Der Bericht der IEA PVPS Task 13 weist darauf hin, dass besonders im Modulzentrum Verzögerungen beim Ansprechen der Bypass-Dioden zu lokalen Temperaturspitzen von 20 °C bis 40 °C führen können.

Dieses Risiko ist stark saisonal geprägt. Wenn feuchtes Laub nicht rechtzeitig entfernt wird, können sich mehrere verteilte Hotspots bilden und die Betriebssicherheit des gesamten Strings beeinträchtigen.

Staubverschmutzung

Bei Staub liegt die Hauptgefahr weniger in Hotspots als vielmehr im kontinuierlichen Leistungsverlust. Im Gegensatz zu Vogelkot und Laub verteilt sich Staub meist gleichmäßig über die Modulfläche und verringert die Gesamteinstrahlung.

Bei homogener Abschattung sinkt die Photostromerzeugung aller Zellen synchron. Da kein lokaler Stromstau entsteht, kommt es nicht zu Rückwärtsbelastungen – selbst bei einer Abdeckung von 80 % bis 90 % der Fläche. Thermografische Untersuchungen zeigen in der Regel eine Temperaturdifferenz von weniger als 5 °C. Die NREL-Studie zur Verschmutzung von PV-Anlagen beziffert den typischen Leistungsverlust durch Staub auf 3 % bis 7 %. In Kombination mit Vogelkot oder Moos kann jedoch auch Staub zu lokal begrenzten Hotspots führen.

Moosverschmutzung

Moos ist vor allem deshalb gefährlich, weil es an fixen Stellen wächst, über lange Zeiträume bestehen bleibt und Wärme stark zurückhält. Es siedelt sich bevorzugt an den rahmennahen Staunässezonen an und bildet dort eine quasi permanente Abschattung – ohne ausgeprägte Saisonalität.

Die elektrische Wirkung ist vergleichbar mit der von Vogelkot: Die Photostromerzeugung an den betroffenen Zellen bleibt dauerhaft reduziert, der serielle Stromfluss erzwingt eine Rückwärtsbelastung. Durch den hohen Wassergehalt im Pflanzengewebe und die geringe Wärmeleitfähigkeit staut sich die Wärme in den betroffenen Bereichen kontinuierlich an.

Thermografische Messungen von TÜV Rheinland zeigen, dass Moosverschattung regelmäßig zu lokalen Temperaturanstiegen von 25 °C bis 35 °C führt. Solche chronischen Hotspots verringern nicht nur den Energieertrag, sondern beschleunigen auch die Alterung von Laminaten, begünstigen Lötstellenversagen und erhöhen das Risiko für Mikrorisse im Glas.

3. Wie stark beeinträchtigen Hotspots ein PV-System?

Leistungsabfall: Kontinuierliche Reduktion der Ausgangsleistung

Hotspots zählen zu den Hauptursachen für den anhaltenden Leistungsabfall von PV-Modulen. Sobald eine Solarzelle in den Rückwärtsbetrieb gerät, wird sie von einer Energiequelle zu einem Verbraucher. Das betrifft nicht nur den betroffenen Bereich – durch die Reihenschaltung im Modul wird der Effekt auf den gesamten Strang übertragen.

Schon eine Abschattung von nur 2–5 % der Modulfläche kann einen Leistungsabfall von 20–35 % verursachen. Treten mehrere Hotspots gleichzeitig auf, kann die Leistung des gesamten Strings um mehr als 40 % sinken. Diese Verluste addieren sich bei wiederholter Verschmutzung über die Zeit und schmälern die langfristige Energieproduktion erheblich.

Im Jahresverlauf kann dies zu einem Rückgang der Energieausbeute von 5–10 % führen. Ein scheinbar lokales Problem kann sich somit zu einer stringweiten und schlussendlich systemweiten Ertragsminderung entwickeln – inklusive potenzieller elektrischer Sekundärschäden.

Thermische Belastung: Beschleunigte Alterung des Laminats

Die durch Hotspots verursachte dauerhafte Hitze ist ein zentraler Faktor für die Alterung des Modulaufbaus. Temperaturen über 60 °C beschleunigen die thermische Degradation von EVA und anderen Materialien. Gelbfärbung, Delamination und Blasenbildung sind die Folge – oft irreversibel.

Mit fortschreitender Delamination verlieren die Module ihre Schutzfunktion. Es entstehen Hohlräume, durch die Feuchtigkeit eindringt. Korrosion an Lötstellen und Leiterbahnen folgt, was sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektrische Integrität gefährdet.

Laut Alterungstests von TÜV Rheinland und NREL treten solche Schäden oft schon nach 12–24 Monaten auf – deutlich früher als bei natürlicher Modulalterung (8–10 Jahre). Diese Schäden entwickeln sich meist unbemerkt im Inneren des Moduls und beeinträchtigen langfristig die Lichtdurchlässigkeit und den Stromertrag.

Elektrische Schäden: Lötstellenversagen und Unterbrechungen

Neben Materialermüdung beeinträchtigen Hotspots auch die elektrische Verbindung. Lötpunkte, Leiterbahnen und Sammelschienen stehen unter konstanter thermischer Belastung. Ab Temperaturen von 90–120 °C kommt es zu Rekristallisation, Mikrorissen und metallurgischer Erosion.

Solche Schäden reduzieren die Leitfähigkeit, erzwingen das häufige Zuschalten von Bypass-Dioden und führen zu Stringungleichgewichten oder Modulabschaltungen. Unterbrechungen im Stromfluss können sogar Erdungsfehler verursachen.

Laut DNV und PVEL weisen über 18 % der durch Hotspots geschädigten Module typische elektrische Defekte wie geschmolzene Lötstellen oder gebrochene Leiterbahnen auf. Diese Fehler entstehen schneller als bei natürlicher Alterung und tendieren zur raschen Ausbreitung entlang des Strompfads.

Strukturelle Zerstörung: Von Mikrorissen bis Glasbruch

Die lokalen Hitzespitzen wirken sich auch auf die strukturelle Integrität aus. Durch ständigen thermischen Stress entstehen Materialspannungen in Glas, Zellen und Rahmen. Besonders bei großen Tag-Nacht-Temperaturunterschieden bilden sich kritische Spannungspunkte im Hotspot-Bereich.

Dies führt zur Bildung von Mikrorissen in den Zellen, welche sich bei wiederholten Zyklen vergrößern. Die Folge: Delamination, verzogene Rahmen, Glasrandrisse oder sogar vollständige Brüche in der Modulmitte. Die Lichtdurchlässigkeit sinkt und Feuchtigkeit dringt verstärkt ein.

Laut Feldanalysen von DNV und PVEL ist die Wahrscheinlichkeit von Glasrissen bei Hotspot-Modulen mehr als doppelt so hoch wie bei intakten Modulen – rund 12 % der Fälle entwickeln sichtbare Schäden oder komplette Glasbrüche. Diese strukturellen Defekte verkürzen die Lebensdauer der Module erheblich und verstärken elektrische sowie laminatbedingte Ausfälle.

4. Wie erkennt und behandelt man Hotspots?

Hotspots anhand von Daten und Vor-Ort-Signalen identifizieren

Hotspots lassen sich in der Regel durch auffällige Minderleistung oder physische Mängel erkennen. Der direkteste Hinweis ist ein deutlicher Leistungsabfall des Strings im Vergleich zu anderen Strings derselben Gruppe. Ein weiteres typisches Anzeichen ist ein ungleichmäßiger Stromfluss – etwa auffällig niedrige Gleichstromwerte, die nicht durch Ausrichtung, Verschattung oder Systemdesign erklärt werden können. Wechselrichter melden häufig Fehler wie „String-Leistungsungleichgewicht“ oder „DC-Fehler“. In der IV-Kennlinie zeigen sich typische Abweichungen wie Strom-Schultereinbruch, negativer Zug, oder das Ansprechen der Bypass-Dioden.

Vor Ort weisen lokale Verschmutzungen (Vogelkot, Laub, Moos), Delamination, Feuchtigkeitseintritt oder Glasrisse und Rahmenverformungen auf mögliche Hotspots hin. Bei gleichzeitiger Verschmutzung und Leistungseinbruch handelt es sich meist um verschmutzungsbedingte Hotspots. Bei Delamination oder dauerhaftem Stromabfall ist eher von strukturellen oder elektrischen Ursachen auszugehen. Gleichmäßig verteilter Staub führt dagegen nur zu allgemeinem Leistungsverlust ohne Hotspot-Bildung. Durch Abgleich von Datenabweichungen und physischen Auffälligkeiten lassen sich betroffene Module schnell identifizieren.

Hotspot-Ursache und -Ort mit geeigneten Prüftools feststellen

Thermografie ist das direkteste Mittel zur Bestätigung von Hotspots. Eine Oberflächentemperaturdifferenz von ≥10°C gilt als verdächtig, unter 5°C meist unkritisch. Messungen sollten bei hoher Einstrahlung und Last erfolgen, um Fehldiagnosen zu vermeiden.

• EL-Prüfung (Elektrolumineszenz): erkennt Mikrorisse, Unterbrechungen, Delamination – ideal zur Früherkennung struktureller Probleme
• IV-Kennlinienanalyse: identifiziert elektrische Anomalien wie Strom-Schultereinbruch oder Auslösung der Bypass-Dioden – zeigt keine Position, aber deutet auf Stranganomalien
• Drohnen-Thermografie: geeignet für große Anlagen zur schnellen Ortung von Hotspots; bei Dachanlagen meist Handgerät, kombiniert mit EL und IV zur Ursachenanalyse

Durch die Kombination von Temperaturbild, IV-Kurve und EL-Daten kann klar unterschieden werden, ob es sich um einen verschmutzungs-, struktur- oder elektrisch bedingten Hotspot handelt.

Passende Maßnahmen je nach Hotspot-Ursache wählen

Unabhängig von der Ursache gilt: Verschmutzungsbedingte Hotspots sind reversibel, strukturelle und elektrische Hotspots erfordern Modultausch.

• Verschmutzungsbedingte Hotspots lassen sich durch regelmäßige Reinigung und gezielte Prävention beheben. Bei häufigen Problemen an Firsten, Ecken oder in nassen Bereichen sollten Vogelabwehr oder Entwässerungssysteme ergänzt werden.
• Strukturelle Hotspots wie Delamination, Blasen oder Mikrorisse gelten als irreversibel. Solche Module müssen ersetzt werden, da der Weiterbetrieb die Alterung und Fehlerausbreitung beschleunigt.
• Elektrische Hotspots treten meist bei defekten Lötstellen, unterbrochenen Busbars oder versagenden Dioden auf. Während defekte Dioden temporär überbrückt werden können, erfordern alle Hotspots mit thermischer Belastung einen sofortigen Austausch.

Hotspot-Prävention und Risikomanagement etablieren

Die Vermeidung von Hotspots basiert auf zwei Säulen: Umwelt- und Strukturprävention sowie systematische Früherkennung und Modulaustausch.

Bei Verschmutzung helfen regelmäßige Reinigung, effektive Entwässerung und Vogelabwehr. Strukturelle und elektrische Risiken lassen sich durch Qualitätssicherung bei Modulen, fachgerechte Installation und Stressvermeidung (z. B. durch fehlerfreies Löten, korrekte Montage) begrenzen.

Der Betrieb sollte mit regelmäßiger Thermografie (z. B. saisonal) und jährlichen EL- oder IV-Prüfungen begleitet werden, um eine lückenlose Überwachung zu gewährleisten.

5. Wie kann man Hotspots im PV-System systematisch vorbeugen?

1. Hotspot-Prävention durch Moduldesign

Die Struktur eines PV-Moduls bestimmt, ob eine Teilverschattung zur Hotspot-Bildung führt. Module mit Zellteilung, mehreren Stromschienen oder rückseitigem Kontakt-Design (IBC) können lokale Stromungleichgewichte besser ausgleichen und so Hotspots wirksam reduzieren.

Dreigeteilte Zellen begrenzen Verschattungsfolgen auf kleinere Einheiten. Mehrere Stromschienen bieten zusätzliche Strompfade und verhindern lokale Überlastung. Halbzellen verringern durch Parallelschaltung die Stromdichte je Zweig. IBC-Module besitzen extrem kurze Strompfade und keine frontseitige Kontaktierung, was ihnen die derzeit höchste Verschattungsresistenz verleiht.

Zweiseitige Glas-Glas-Module besitzen keine elektrische Hotspot-Prävention, können aber bei reflektierenden Untergründen durch Rückseiten-Ertrag den Verschattungsverlust teilweise ausgleichen.

2. Risikominimierung durch Anlagenplanung und Montage

Die richtige Anordnung der Module ist entscheidend zur Vermeidung von Hotspots. Hauptursachen für Verschattung sind Dachaufbauten, Umgebungsstrukturen sowie langfristige Verschmutzungen. Durch gezielte Feldplanung und bauliche Maßnahmen lassen sich Hotspots deutlich reduzieren.

Bereits in der Installationsphase bergen typische Verschattungen Risiken: z. B. Firste, Attiken, Lüftungsrohre, Abzüge oder nahe Gebäude und Bäume. Diese Einflüsse variieren je nach Jahreszeit, Sonnenstand und Vegetation. Modulreihen sollten daher mit 30–50 cm Abstand zu Hindernissen geplant werden, insbesondere an Firsten, Dachkanten oder Entwässerungsrinnen, um gleichmäßige Einstrahlung sicherzustellen. Bei festen Verschattungen sind Modulanordnung oder Ausschlusszonen anzupassen.

Im Betrieb stellen Verschmutzungen ein gleichwertiges Risiko dar. Maßnahmen wie Vogelschutzspitzen, Laubschutz und optimierte Entwässerung reduzieren Ablagerungen. Schattige Dachseiten (z. B. Nordausrichtung) sollten regelmäßig auf Moosbefall kontrolliert werden.

Für Anlagen mit unvermeidbaren Verschattungen empfehlen sich Multi-MPPT-Wechselrichter, Mikro-Wechselrichter oder Leistungsoptimierer zur Ertragsoptimierung – diese beseitigen jedoch keine Hotspots, sondern wirken nur auf den Energieoutput.

3. Langfristiges Risikomanagement durch Betriebsführung

Laut DNV- und IEA-Daten kann regelmäßige Reinigung die Hotspot-Rate infolge von Verschmutzung um bis zu 70 % senken – insbesondere im Herbst und Winter bei Laub- und Vogelkotbelastung.

Doch Hotspots entstehen nicht nur durch Verschmutzung. Sie sind strukturelle Risiken, die sich aus Umweltveränderungen, Materialermüdung, Alterung und elektrischem Stress über die Lebensdauer hinweg aufbauen. Während Designentscheidungen statisch wirken, ist das Betriebsführungssystem für die dynamische Risikosteuerung entscheidend.

Verschmutzungsbedingte Hotspots unterscheiden sich grundlegend von strukturellen oder elektrischen Schäden:

• Erstere sind saisonabhängig und durch häufige Sichtkontrollen und gezielte Reinigung beherrschbar.
• Letztere beruhen auf Materialermüdung, Kontaktverlust oder Produktionsfehlern und erfordern tiefergehende Diagnoseverfahren und proaktive Eingriffe.

Fehlt es an Management, schreiten Hotspots von lokaler Erwärmung zu Delamination, Lötstellenversagen, Stromungleichgewichten bis hin zum Stringausfall voran – mit dauerhaften Leistungsverlusten auf Systemebene.

Ein wirksames Betriebsführungssystem bildet daher den zentralen Baustein der Hotspot-Kontrolle. Es umfasst nicht nur Reinigung oder Störungsbehebung, sondern nutzt Infrarot-Thermografie, EL-Tests und IV-Kurvenanalysen zur kontinuierlichen Zustandsbewertung, Trendbeobachtung und dynamischen Anpassung von Inspektionsfrequenz, Diagnosetiefe und Reaktionsstrategien.

Im aktuellen PV-Asset-Management gilt das Hotspot-Risiko als wesentlicher struktureller Einflussfaktor: Es beeinträchtigt Ertragsstabilität, beschleunigt Moduldegradation, erhöht Wartungskosten und mindert langfristig den Systemwert. Ohne geschlossenen Steuerungskreislauf kann sich dieser Schaden dauerhaft entlang von Leistungs- und Kostenkurven ausbreiten.

Hotspot-Prävention ist daher keine Einzelmaßnahme, sondern Teil einer strukturierten Systemgesundheitsstrategie. Durch intelligentes Zusammenspiel von Moduldesign, Anlagenlayout und Betriebsführung lässt sich das Hotspot-Risiko von einem Ausfallfaktor zu einer kontrollierbaren Systemgrenze wandeln – als Grundlage für stabile Erträge und langfristige Wertbeständigkeit.

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Referenzen:

DNV. (2021). PV Module Reliability Scorecard 2021. DNV Energy Systems. https://www.dnv.com/services/pv-module-reliability-scorecard-2021-200178

PVEL. (2023). PV Module Reliability Scorecard 2023. PV Evolution Labs (PVEL). https://www.pvel.com/pv-module-reliability-scorecard/

NREL. (2022). Impact of Soiling on PV System Performance: Review and Analysis. National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82015.pdf

IEA PVPS Task 13. (2020). Soiling of Photovoltaic Panels: Literature Review, Measurement, and Modeling. International Energy Agency. https://iea-pvps.org/research-tasks/task-13/

TÜV Rheinland. (2021). Quality Monitor: Global PV Module Reliability Testing. TÜV Rheinland Group. https://www.tuv.com/media/corporate/products_1/renewables_1/solar/solar_quality_monitor.pdf

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