Bypass-Dioden in Photovoltaik-Modulen

Damit die auf dem Datenblatt ausgewiesene kWp Nennleistung einer Photovoltaikanlage in der Praxis nutzbar wird, muss der ungehinderte Stromfluss innerhalb der Solarmodule jederzeit gewährleistet sein. In der Realität sind Dachanlagen und Freiflächen jedoch regelmäßig temporären Teilverschattungen (durch Schornsteine, Bäume oder Nachbargebäude) sowie Verschmutzungen ausgesetzt. 

Hier übernehmen Bypass-Dioden (häufig auch Freilauf- oder Schutzdioden genannt) eine systemkritische Rolle. Sie fungieren als intelligente elektrische Umleitung für den Solarstrom und sind das wichtigste Bauteil, um drastische Ertragseinbußen und thermische Zerstörungen auf Zellebene zu verhindern.

Um die Notwendigkeit von Bypass-Dioden zu verstehen, muss man die Verschaltung einer Solaranlage betrachten. Photovoltaik-Module werden in der Regel in sogenannten Strings in Reihe hintereinandergeschaltet. Bei einer solchen Reihenschaltung bestimmt das Prinzip des schwächsten Glieds den Ertrag: Der gesamte Stromfluss des Strings hängt von der leistungsschwächsten Zelle ab. 

Fällt Schatten auf eine einzige Solarzelle oder ist diese stark verschmutzt, produziert sie keine eigene Spannung mehr und wirkt stattdessen wie ein elektrischer Widerstand. Ohne einen technischen Schutzmechanismus würde diese einzige blockierte Zelle den Stromfluss der gesamten in Reihe geschalteten Modulkette drosseln und zu massiven Leistungsabfällen führen.

Eine Photozelle basiert technologisch auf einer Halbleiter-Diode. Dioden besitzen die Eigenschaft, elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen zu lassen. In modernen Photovoltaik-Modulen werden Bypass-Dioden antiparallel zu den Solarzellen geschaltet.

Der Schaltvorgang funktioniert wie folgt:

• Im ungestörten Normalbetrieb: Die Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Der Strom fließt regulär durch die sonnenbeschienenen Solarzellen, da die Diode den Weg blockiert. Die Sperrspannung der Bypass-Diode entspricht dabei ungefähr der Leerlaufspannung des Moduls.
• Bei Verschattung oder Defekt: Fällt die Spannung einer Zellgruppe unter einen bestimmten Schwellenwert, schließt die Diode die Zelle im Prinzip kurz und wird leitend. Der Strom der in Reihe geschalteten restlichen Solarzellen wird nun mit sehr geringer Verlustleistung durch die Bypass-Diode hindurch – also an der verschatteten Stelle vorbei – geleitet.

Neben der Ertragsoptimierung erfüllen Bypass-Dioden eine essenzielle Schutzfunktion für die Anlagensicherheit. Wenn eine Zelle verschattet ist und als Widerstand agiert, aber der Strom der übrigen unverschatteten Zellen weiterhin durch sie hindurchfließen möchte, entsteht ein Phänomen, das Fachleute als Hot-Spot bezeichnen. 

Die elektrische Verlustleistung wird an dieser Stelle in extreme Wärme umgewandelt. Dabei können auf der Zelloberfläche Temperaturen von über 100 °C entstehen. Die dramatischen Folgen einer solchen thermischen Belastung sind das Verschmoren der schützenden Laminatfolie, Zellbrüche und im Extremfall ein Brand des gesamten Moduls. Indem die Bypass-Diode als Sicherheitsventil agiert und den Strom umleitet, wird die thermische Zerstörung der Photovoltaik-Zellen zuverlässig unterbunden. 

Ausführliche physikalische Hintergründe zu dieser Überhitzung finden Sie in unserem Vertiefungsartikel Hot-Spots.

Bypass-Dioden sind in modernen Modulen ab Werk fest integriert und befinden sich meist gut geschützt in der Anschlussdose auf der Modulrückseite.

• Der klassische Standard: Gewöhnlich bekommt nicht jede einzelne Zelle eine eigene Diode. Standardmäßig sind drei Bypass-Dioden pro Modul verbaut. Bei einem herkömmlichen 72-Zellen-Modul sichert jede Diode somit eine Gruppe von 24 Zellen ab. Fällt Schatten auf das Modul, geht nur ein Drittel der Leistung verloren, während die restlichen zwei Drittel ungestört weiterproduzieren. Seltener, je nach Modularchitektur, kommen auch zwei, vier oder sechs Dioden zum Einsatz.
• Halbzellen-Technologie (Half-Cut): Bei modernen Halbzellen-Modulen ist das Schattenmanagement noch feingliedriger. Da das Modul elektrisch in zwei Hälften geteilt ist, bleibt bei Verschattung einer quadratischen Zelle die Leistungsfähigkeit oft zu 50 % erhalten, was Ertragsverluste weiter minimiert.
• ABC-Technologie (All Back Contact): Einen neuen Weg gehen Hochleistungsmodule mit ABC-Technologie (wie beispielsweise von Aiko oder Longi). Diese verfügen über ein integriertes, völlig neues Verschattungsmanagement. Statt bei Schatten direkt ein komplettes Modul-Drittel über die Diode wegzuschalten, können bei dieser Technologie wesentlich kleinere Teilbereiche außen vor gelassen werden. Das Modul produziert bei Teilverschattung dadurch signifikant mehr Strom. Tiefergehende Leistungsdaten zu diesen Zelltypen finden Sie im Artikel Modulwirkungsgrad-Vergleich.

Bypass-Dioden gelten als extrem langlebig und wartungsfrei. Sie können jedoch durch extreme Überspannungen – beispielsweise infolge eines nahen Blitzeinschlags – beschädigt oder zerstört werden. Ein solcher Defekt führt entweder zu einem dauerhaften Ertragsverlust eines Moduldrittels oder birgt, wenn die Diode nicht mehr durchschaltet, erneut Brandgefahr durch Hot-Spots. 

Solche verdeckten Fehler lassen sich auf zwei Wegen sicher nachweisen:

• Thermografie: Mit hochauflösenden Infrarot-Wärmebildkameras können defekte Bypass-Dioden sowie Hot-Spots im laufenden Betrieb über ihre Wärmeabstrahlung detektiert werden.
• Elektrolumineszenz (EL): In speziellen Testcentern (oder mittels Outdoor-Geräten) wird das Modul rückwärts bestromt, wodurch die gesunden Zellen schwach im Infrarotbereich leuchten. Defekte Dioden und mikroskopische Zellschäden fallen hierbei als dunkle Flächen sofort auf. Mehr zu diesem bildgebenden Diagnoseverfahren lesen Sie unter Kontrolle-Elektrolumineszenz-Verfahren.

Was bewirkt eine Bypass-Diode?
Bypass-Dioden leiten den elektrischen Gleichstrom an verschatteten oder verschmutzten Solarzellen vorbei. Ohne sie würde eine einzige leistungsschwache Zelle den gesamten Stromfluss im String drosseln. Sie sichern somit den Gesamtertrag der Solaranlage.

Warum verhindern Bypass-Dioden Hot-Spots?
Eine verschattete Zelle produziert keinen Strom, sondern wirkt wie ein Widerstand, durch den sich die Energie der anderen Module drängt. Die Energie wird in Hitze umgewandelt (Hot-Spot), was die Modulfolie verschmoren kann. Die Diode fungiert als Sicherheitsventil und leitet den Strom sicher an dieser Gefahrenstelle vorbei.

Wie viele Bypass-Dioden hat ein handelsübliches Modul
Standardmäßig sind in heutigen Solarmodulen drei Bypass-Dioden verbaut. Jede Diode sichert dabei ein Drittel der Zellen ab. Je nach Bauart können aber auch zwei, vier oder seltener sechs Dioden vorhanden sein.

Können Bypass-Dioden kaputt gehen?
Ja. Zwar sind sie grundsätzlich langlebig und wartungsfrei, aber massive Überspannungen (z. B. durch Blitzeinschläge) können sie zerstören. Solche Defekte sind mit dem bloßen Auge nicht sichtbar und müssen durch Thermografie oder Elektrolumineszenz-Messungen aufgespürt werden.