Bypass-Dioden im PV-Modul: Funktion, Anzahl und Einbauort

Was ist eine Bypass-Diode im Solarmodul?

Eine Bypass-Diode ist ein Schutzbauteil im Solarmodul. Sie leitet den Strom um eine Zellgruppe herum, die zu wenig Leistung liefert, und greift bei Teilverschattung, Verschmutzung Zellschaden ein.

Der Grund für den Einsatz dieses Bauteils steckt in der Reihenschaltung. Da die Zellen eines Solarmoduls hintereinander geschaltet sind, begrenzt das schwächste Glied den Strom des gesamten Strangs. Fällt zum Beispiel der Schatten eines Blattes auf nur wenige Zellen, bremsen diese die Leistung aller übrigen Zellen mit aus. Ein Solarpanel verliert dadurch deutlich mehr Leistung, als die verschattete Fläche vermuten lässt.

Genau hier setzt die Bypass-Diode an. Sie ist antiparallel zu einer Zellgruppe geschaltet und bildet einen Nebenweg für den Strom. Eine solche Zellgruppe, auch Sub-String genannt, fasst mehrere in Reihe geschaltete Zellen zusammen. 

Welche PV-Module haben Bypass-Dioden ab Werk?

Aktuelle kristalline PV-Module sind standardmäßig mit Bypass-Dioden ausgestattet. Ihr Einbau gehört ab Werk zum Serienstandard und ist keine Sonderausstattung.

Im ungestörten Normalbetrieb bleiben die Dioden in Sperrrichtung inaktiv und leiten keinen Strom. Erst die umgekehrte Spannung einer verschatteten Zellgruppe schaltet sie durch. Diese antiparallele Schaltung sorgt dafür, dass die Dioden den Ertrag im ungestörten Betrieb nicht schmälern.

Wie funktioniert eine Bypass-Diode im PV-Modul?

Eine Bypass-Diode im PV-Modul schaltet sich ein, sobald an einer verschatteten Zellgruppe eine negative Spannung entsteht. Der Strom nimmt dann den Weg über die Diode statt über die schwache Zellgruppe. Sinkt die Spannungsdifferenz wieder, kehrt die Diode in den Sperrzustand zurück.

An allen Solarzellen eines Moduls liegt im ungestörten Betrieb eine positive Spannung an. Gerät eine Zelle in den Schatten, kehrt sich ihre Spannung um. Diese negative Spannung öffnet die Bypass-Diode und der Strom fließt an der betroffenen Zellgruppe vorbei. Währenddessen liefern die übrigen Zellgruppen ihren vollen Strom.

Reduzierung von Verschattungsverlusten

Da Teilverschattung und Verschmutzung ein Modul fast nie gleichmäßig treffen, deckt ein Kaminschatten oder ein Laubrest meist nur wenige Zellen ab. Die Bypass-Diode nimmt genau die betroffene Zellgruppe aus dem Strompfad und sichert den Ertrag der übrigen Zellgruppen. Mit jeder aktiven Bypass-Diode fällt die zugehörige Zellgruppe aus. Bei drei Dioden je Modul umfasst diese Gruppe etwa ein Drittel der Zellen. Liegt Schatten auf mehreren Zellgruppen, überbrücken mehrere Dioden gleichzeitig ihre jeweilige Gruppe und der Ausfall wird entsprechend größer.

Vermeidung von Hotspots

Ein Hotspot entsteht, wenn eine verschattete Zelle den Strom der übrigen Zellen aufnehmen muss. Ihr Innenwiderstand steigt und sie setzt die Energie in Wärme um. Die Zelle kann sich dadurch stark erwärmen, verfärben oder im Extremfall sogar schmelzen. Die Bypass-Diode führt den Strom vorher an der betroffenen Zellgruppe vorbei und senkt damit das Risiko einer solchen Überhitzung.

Wie viele Bypass-Dioden hat ein Solarmodul?

Je nach Größe und Bauform hat ein Solarmodul zwei, drei oder sechs Bypass-Dioden. Typisch für 60 bzw. 72 Zellen (120 bzw. 144 Halbzellen) ist der Einsatz von drei Dioden. Jede Diode überbrückt dabei eine ganze Zellgruppe und nie eine einzelne Zelle.

Aktuelle Halbzellen-Module haben zum Beispiel 108, 132 oder 144 Halbzellen. Da die halbierten Zellen kleinere Zellgruppen  bilden, trifft ein Schatten damit einen kleineren Teil des Moduls.

Wo sitzen die Bypass-Dioden im PV-Modul?

Die Bypass-Dioden sitzen in der Anschlussdose auf der Rückseite des PV-Moduls. Diese Anschlussdose (Junction Box) verbindet die Zellstränge mit den Anschlusskabeln und nimmt für jede Zellgruppe eine Diode auf. Die Anforderungen an dieses Bauteil regelt die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) in der Norm IEC 62790 für Anschlussdosen an Photovoltaik-Modulen.

Bei vielen Modulen ist die Dose vergossen und die einzelne Diode damit im Defektfall nicht zugänglich.

Kann man Bypass-Dioden nachrüsten?

Ob sich Bypass-Dioden nachrüsten lassen, hängt von der Anschlussdose ab. Sie muss zugänglich oder austauschbar sein. Außerdem muss ein Fachbetrieb sie danach wieder dicht verschließen. Bei einer fest vergossenen Dose bleibt im Schadenfall nur der Tausch der kompletten Anschlussdose oder des Moduls.

Die Garantiebedingungen der Hersteller regeln, welche Eingriffe am Modul zulässig sind. Ein Eingriff an der Anschlussdose kann dagegen verstoßen. Klären Sie die Vorgaben Ihres Herstellers deshalb vor der Arbeit. Die Montage selbst gehört in die Hand eines erfahrenen Solarteurs, da an der Anschlussdose Gleichspannung anliegt.

Was passiert, wenn eine Bypass-Diode defekt ist?

Eine defekte Bypass-Diode leitet entweder dauerhaft und kostet das Modul dann eine ganze Zellgruppe oder sie fällt offen aus und macht sich erst bei Schatten bemerkbar.

Leitet eine defekte Bypass-Diode dauerhaft, nimmt sie die zugehörige Zellgruppe aus dem Betrieb. Der Ausfall tritt auch dann ein, wenn kein Schatten auf dem Modul liegt. Bei gleich großen Zellgruppen und einer betroffenen Diode fehlt anschließend rund ein Drittel der Modulleistung bei drei Dioden und rund ein Sechstel bei sechs Dioden. Sind mehrere Dioden defekt, fehlt entsprechend mehr.

Fällt die Diode dagegen offen aus, bleibt die Leistung ohne Verschattung zunächst unauffällig. Bei Verschattung überbrückt sie die betroffene Zellgruppe nicht mehr und das Hotspot-Risiko steigt.

Auf der gesamten PV-Anlage bleibt ein einzelner Diodendefekt oft unentdeckt. Sichtbar wird der Ertragsrückgang in der Ertragskurve eines Strangs bei guter Einstrahlung, besonders wenn mehrere Module betroffen sind.

Wie erkennen Sie eine defekte Bypass-Diode?

Eine dauerhaft leitende Bypass-Diode erkennen Sie an einem anhaltenden Leistungsknick im Monitoring und an einem auffällig warmen Zellbereich im Wärmebild. Beide Methoden funktionieren am Modul im eingebauten Zustand. Eine offen ausgefallene Diode fällt dafür erst bei Verschattung auf.

Im Monitoring fällt ein Modul oder ein Strang dauerhaft hinter vergleichbare Nachbarn zurück. Eine Thermografie mit der Wärmebildkamera macht ungleich erwärmte Zellbereiche auf der Modulfläche sichtbar. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat für große Photovoltaik-Kraftwerke ein Sensorsystem zur Früherkennung von Modulfehlern vorgestellt. Eine Sichtprüfung der Anschlussdose kann zusätzlich Schmorspuren oder eingedrungene Feuchtigkeit aufdecken. Im Folgenden prüft ein Fachbetrieb die Diode mit einer Messung am abgedunkelten Modul.

Kann eine kaputte Bypass-Diode getauscht werden?

Ein Fachbetrieb ersetzt eine kaputte Bypass-Diode nur dann, wenn die Anschlussdose zugänglich oder austauschbar ist. Bei einer fest vergossenen Dose bleibt der Tausch der kompletten Anschlussdose oder des Moduls. Der Eingriff erfordert Fachwissen, Spezialwerkzeug und einen sicheren Umgang mit der Gleichspannung des Strangs.

Aus Sicherheits- und Versicherungsgründen gehört diese Arbeit nicht in Laienhand.

Bypass-Diode oder Leistungsoptimierer: was ist besser?

Während bei kurzzeitiger Teilverschattung in der Regel die Bypass-Diode genügt, lohnt sich bei dauerhaftem Schatten der Einsatz eines Leistungsoptimierers. Bypass-Dioden greifen erst, wenn der Schatten bereits auf dem Modul liegt. Einen Schattenwurf durch Kamin, Gaube oder Baum über den ganzen Tag können sie nicht ausgleichen.

Bei dauerhafter Verschattung helfen Leistungsoptimierer, Multistring-Wechselrichter oder Modulwechselrichter weiter. Ein Multistring-Wechselrichter braucht für jeden getrennt geregelten Bereich einen eigenen MPP-Tracker. Ein Leistungsoptimierer stellt den Arbeitspunkt dagegen für jedes Modul einzeln ein.

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