Leistungsverlust von Solarmodulen

Wenn ein Solarmodul keine Leistung bringt oder gar die Leistung der gesamten Anlage hinter den Erwartungen zurückbleibt, kann das viele unterschiedliche Ursachen haben. Manche davon muss eine erfahrene Fachkraft für Solartechnik feststellen. Andere können Betreiber selbst herausfinden. Nicht jeder Leistungsverlust eines Solarmoduls bedeutet einen technischen Fehler – bisweilen wird der Verlust sogar mit einkalkuliert.

Leistungsverlust von Solarmodulen erkennen: Beobachtung ist wichtig

Ein Leistungsverlust der Photovoltaik betrifft etwa eine von acht Anlagen in Deutschland. Damit ist gemeint, dass die Photovoltaikanlage unter dem Leistungsniveau bleibt, das sie theoretisch erreichen könnte. 

In der Praxis ist nicht immer leicht zu erkennen, dass ein Solarmodul keine Leistung bringt oder gar die gesamte Anlage weniger Solarstrom erzeugt, als zu erwarten wäre. Wetterbedingte Schwankungen sind normal und erschweren den Vergleich. Daher ist eine regelmäßige Beobachtung unerlässlich, um einen Leistungsverlust bei PV-Modulen zu erkennen. Idealerweise führen Betreiber Aufzeichnungen über die Stromerzeugung unter verschiedenen Wetterbedingungen, wenn die Vermutung besteht, dass ein Solarmodul zu wenig Leistung bringt. Selbstverständlich muss heute niemand mehr mit Stift und Zettel aktuelle Solarstrom-Erträge in Tabellen eintragen. Das Energiemanagementsystem der Anlage ermöglicht eine automatische, hochaufgelöste Protokollierung.

Hilfreich für die Fehlersuche, aber auch als Information für einen Solarteur, der unterstützen kann, ist die Beantwortung folgender Fragen:

• Liefert die Photovoltaikanlage gar keinen Strom?
• Bleibt die Leistung nur hinter den Erwartungen zurück?
• Ist der Leistungsverlust der Photovoltaik reproduzierbar? Unter welchen Bedingungen?
• Sind Schäden an den Solarmodulen bekannt?

Auf dieser Basis kann – auch im Rahmen der Wartung – ein eventueller Fehler leichter gefunden werden. Zu unterscheiden ist zwischen dem unvermeidlichen Nachlassen der Photovoltaik-Leistung bei Bewölkung (oder Dunkelheit) oder der Degradation der Solarzellen und vermeidbaren Verlusten, zum Beispiel durch Verschmutzung oder Verschattung und Leistungseinbußen durch technische Fehler wie lose Verbindungen oder defekte PV-Kabel. 

Einbruch der Photovoltaik-Leistung bei Bewölkung und Verschattung

Dass eine Photovoltaikanlage bei Bewölkung, bei Gewitter sowie in den frühen Morgen- und den späten Abendstunden weniger Erträge bringt, ist den Betreibern von Photovoltaikanlagen in der Regel bewusst. Doch die Leistung kann auch deutlich abfallen oder ganz ausbleiben. Die Ursache hierfür liegt beim Wechselrichter. Das Bauteil, das den erzeugten Solarstrom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, braucht eine gewisse Spannung, um arbeiten zu können. Wird diese nicht erreicht, kann auch kein Strom aus der Anlage bezogen werden.

Auch Verschattungen können dazu führen, dass ein Solarmodul keine oder nur eine sehr geringe Leistung bringt. Wer jahrelang eine Photovoltaikanlage betreibt, hat möglicherweise gar nicht mehr im Blick, dass umliegende Bäume und Sträucher gewachsen sind oder in der Nähe errichtete neue Gebäude nun einzelne Module verschatten. Bereits ein einziges verschattetes Solarmodul beeinträchtigt ‒ je nach Art der Schaltung mehr oder minder stark ‒ die Leistung der gesamten Anlage. Im Falle solcher Verschattungen ist der Leistungsverlust der PV-Module relativ leicht zu erkennen, beispielsweise wenn die Leistungseinbußen immer zu bestimmten Tageszeiten auftreten oder weil sie sehr konstant vorhanden sind. 

Degradation und Alterung bewirken Leistungsverlust von Solarmodulen

Solarzellen altern mit der Zeit und büßen einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit ein. Das ist ein normaler Prozess, der „Degradation“ genannt wird. Warum es mit der Zeit zu einem Leistungsverlust der Solarmodule kommt, ist noch nicht abschließend geklärt. Eine Rolle spielen offenbar Photoreaktionen im Inneren der Solarzellen, die zu unerwünschter Migration von Ladungsträgern und damit zu einer Störung des Schichtaufbaus im Inneren der Solarzelle führen. Das Fraunhofer ISE und andere Institute forschen nach den Ursachen für Schädigungsmechanismen wie der potenzialinduzierten Degradation (PID). 

Die potenzialinduzierte Degradation (PID) ist auf einen durch hohe Umgebungstemperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit begünstigten deutlichen Potentialunterschied zwischen dem Halbleitermaterial der Zelle und anderen Teilen des Moduls wie Glas, Halterung oder Aluminiumrahmen zurückzuführen. Die Potentialdifferenz erzeugt einen unerwünschten “Leckstrom”. Dabei fließen negative Ionen über den Aluminiumrahmen ab, während positive Ionen (Natriumionen) an die Zelloberfläche wandern. Diese "verschmutzen" die Zelle, indem sie ihre photovoltaische Wirkung verringern, was zu Leistungsverlusten führt. 

Solarmodule werden entsprechend der Norm IEC TS 62804-1 auf ihre PID geprüft. Die Testung findet bei einer Luftfeuchtigkeit von 85 % und einer Temperatur von 60 Grad Celsius über einen Zeitraum von 96 Stunden statt. Unter diesen Bedingungen darf der Leistungsverlust der Solarmodule nicht mehr als 5 % betragen. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) führt Testungen durch, die noch deutlich strengere Anforderungen haben. 

Der Leistungsverlust durch PID ist teilweise reversibel und wird insbesondere in modernen Solarmodulen nahezu vollständig verhindert, etwa indem die Hersteller isolierende Einbettungsmaterialien einsetzen. Anwender selbst haben keine Handhabe, die PID zu verhindern oder zu reduzieren. 

Die Altersdegradation von Solarmodulen

Von der PID unabhängig und derzeit nicht zu verhindern ist die zeitabhängige Degradation, die dazu führt, dass Solarmodule mit zunehmendem Alter weniger Leistung erbringen. Für kristalline Solarmodule ist ein Leistungsverlust von 10–15 % über einen Zeitraum von etwa 20–25 Jahren normal. Die Leistung nimmt dabei kontinuierlich ab. Anders verhält es sich bei Dünnschicht-Solarmodulen: Diese erfahren im ersten Jahr nach der Inbetriebnahme einen hohen Verlust von bis zu 25 %, bleiben danach in ihrer Leistung jedoch weitgehend konstant. Dieses Phänomen wird als „Anfangsdegradation“ bezeichnet. 

In beiden Fällen werden die Degradation und damit der Leistungsverlust der PV-Module schon bei der Planung berücksichtigt. Bei kristallinen Modulen wird eine Leistungsminderung von 0,5 % pro Jahr einkalkuliert, was einem Verlust von 5 % über 10 Jahre entspricht. Viele Hersteller garantieren mittlerweile, dass ihre Solarmodule nach 10 Jahren noch mindestens 90 % und nach 20 Jahren noch mindestens 80 % der ursprünglichen Leistung bringen. Bei Dünnschicht-Modulen verfährt man anders: Da hier der Leistungsverlust der Solarmodule nur ungefähr den Zeitraum des ersten Jahres betrifft, errechnet man den erwarteten Ertrag ab dem zweiten Jahr und geht davon aus, dass die PV-Anlage im ersten Jahr einen höheren Ertrag liefert. 

Weitere Ursachen für Leistungseinbußen

Eine Photovoltaikanlage kommt ohne bewegliche Bauteile aus und ist insgesamt sehr wartungsarm. Dennoch kann es ‒ wie bei allen elektrischen Geräten ‒ zu Betriebsstörungen kommen. Vielfach müssen diese von einer Fachkraft festgestellt und dürfen auch nur von einer Fachkraft behoben werden. Es empfiehlt sich also, die Anlage regelmäßig warten zu lassen und einen Solarteur hinzuzuziehen, wenn ein Solarmodul keine Leistung bringt. 

Typische Störungen, die auftreten können, sind:

• Verschmutzungen: Insbesondere bei flachem Neigungswinkel können sich Regenwasser, Staub und Pollen am Modulrahmen sammeln und Rückstände zurücklassen, die zu Verschattungen führen. Abhilfe schafft eine Reinigung der Solaranlage. 
• Schäden am Wechselrichter: Der Wechselrichter ist das fehleranfälligste Bauteil einer Solaranlage. Staub, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen können sich auf die Leistungsfähigkeit auswirken. Schaltet der Wechselrichter zu spät ein oder zu früh ab, führt das zu Leistungseinbußen.
• Schäden an der Verkabelung: Fehler bei der Verlegung der Kabel können zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchung führen. Möglich sind Schäden durch unerwünschte Bewegungen der Kabel oder das Lösen von Steckverbindungen.
• Hot Spots: Durch mechanische Belastung hervorgerufene Mikrorisse in den Solarmodulen lassen den Widerstand innerhalb der Module ansteigen, was zu sogenannten Hot Spots ‒ erst zu Verfärbungen mit Verschattungen und schließlich zu Brandflecken ‒ führen kann. Im schlimmsten Fall bringt das Solarmodul gar keine Leistung mehr.
• Glasbruch: Solarmodule sind ausgesprochen robust und halten dank der Glasbeschichtung auch Starkregen, Hagel etc. stand. Kommt es dennoch zum Glasbruch, können Staub oder Wasser eindringen und die Zellen irreversibel schädigen. 

Fazit: Eine regelmäßige Wartung stellt sicher, dass die Photovoltaikanlage in gutem Zustand ist. Treten dennoch Leistungsverluste bei den Solarmodulen auf, die nicht aufgrund der normalen Degradation entstehen, empfiehlt es sich, eine Fachperson zurate zu ziehen.