Auf die Zukunft setzen: Die CIS-Dünnschichtmodulfabrik von Solar Frontier in Kunitomi, Japan

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06.09.2011

Mangos und CIS-Produktion in Südjapan
Ein seltsamer Ort für eine der größten, fortschrittlichsten Photovoltaik-Produktionsanlagen der Welt: Einige Kilometer außerhalb einer verschlafenen Küstenstadt im Süden Japans, hinter Reisfeldern und kleinen Bauernhöfen, wo die Straße bergan führt, tauchen zwischen den Zedern massive weiße Fabrikgebäude auf.Die Broschüren in den Hotels von Miyazaki zeigen ebenfalls Mangos und Felsküsten – und keine High-Tech-Produktionsstätten. In dieser Anlage wird jedoch mit den ausgefeiltesten Verfahren und Equipment aus drei Kontinenten alle fünf Sekunden ein Solarmodul hergestellt und dann in einem automatisierten Warenlager versandfertig gestapelt.
Der Innenraum der Modulfabrik ist atemberaubend groß. Die Maschinenreihen sind Dutzende Meter lang und haben eine jährliche Produktionskapazität von 900 Megawatt.
Die Fabrik setzt in jeder Hinsicht auf die Zukunft der Photovoltaik. Speziell auf eine Technologie auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS oder CIS). 2010 wurden nur 426 Megawatt CIGS-Module verkauft. Die Anlage von Solar Frontier kann bei voller Auslastung jedoch doppelt so viel herstellen. Die Betreiber sind sicher, dieser Herausforderung begegnen zu können.

Dünnschicht- und CIS-Technologie: Eine Nische oder die Zukunft?
Obwohl die Dünnfilm-Technologie – dünne Halbleitermaterial-Schichten auf verschiedenen Trägersubstanzen – als Photovoltaik der nächsten Generation bewertet wird, ist sie noch nicht ganz aus ihrem Nischendasein herausgekommen.
Dünnschichtmodule hatten 2010 nur einen Anteil von 13 % am Weltmarkt. 2009 waren es noch 19 %. Das liegt hauptsächlich an den chinesischen Herstellern von kristallinen Silizium-Modulen, die den führenden Dünnschichthersteller First Solar Inc. (Tempe, Arizona, USA) 2010 überholt haben.
Befürworter von kristallinen Si-Modulen werden deren höhere Wirkungsgrade hervorheben: Sie liegen zwischen 16 und über 20 % bei den effizientesten Modulen gegenüber 12 bis über 13 % bei den effizientesten in Serie produzierten Dünnschichtmodulen. Letztere haben jedoch viele andere Vorteile: Sie sind zum Beispiel leichter und bringen im heißem Klima und bei schlechteren Lichtverhältnissen eine höhere Leistung.
Und insbesondere, das hat First Solar gezeigt, können Dünnschichtmodule zu wesentlich geringeren Kosten pro Watt hergestellt werden als kristalline Silizium-Module. Dünnschicht- Herstellungsverfahren erfordern weniger Schritte und benötigen weniger Halbleiter-Material. Solar Frontier betont, dass sein Verfahren weniger als die Hälfte der Energie benötigt, als für die Herstellung von kristallinen Modulen notwendig ist.

CIS verspricht Wirkungsgrade, die an kristalline Module heranreichen
Von allen Dünnschichtmodulen hat die CIS-Technologie derzeit noch den geringsten Marktanteil; 2010 waren es 2 % des Weltmarkts. CIS-Module sind aber die vielversprechendsten. Die National Renewable Energy Laboratories des US-Energieministeriums haben mit CIS-Modulen Wirkungsgrade über 20 % erzielt. Das ist deutlich besser als die Weltrekorde für Dünnschichtmodule auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) oder amorphem Silizium.
Vom Labor zum Endkunden ist es zwar ein langer Weg, aber einige Analysten, darunter PHOTON Consulting, haben CIS als die Technologie mit dem größten Potenzial zum technologischen Durchbruch in den nächsten paar Jahren identifiziert. Das könnte zu einer dramatischen Veränderung des Marktanteils führen.
Die CIS-Wirkungsgrade haben in der Massenproduktion auch die Effizienz von CdTe überholt. Am 29. März 2011 gelang Solibro, einem Tochterunternehmen von Q-Cells, mit seriengefertigten CIS-Modulen ein Weltrekord-Wirkungsgrad von 13,4 %. Solar Frontier stellt derzeit 155 Watt-Solarmodule mit 12,6 % Wirkungsgrad in Masse her. Das ist fast so viel wie bei den CdTe-Modulen von First Solar. Das Unternehmen hat außerdem ein „Champion“-Modul mit 13,4 % Wirkungsgrad entwickelt.Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist der so genannte Light-Soaking-Effekt: Anders als amorphe Si-Module, deren Leistung sich unter Lichteinfluss verschlechtert, gewinnen CIS-Module 5 – 10 % Leistung hinzu, wenn sie zum ersten Mal der Sonne ausgesetzt sind.
Solar Frontier hat im Werk Kunitomi mit der Serienfertigung seiner 150 Watt SF 150 Module begonnen

Anmerkungen zum Rohstoff Indium
Kritiker der CIS-Technologie behaupten, die Verwendung von Indium in der Halbleiterschicht mache die Herstellung solcher Module zu einer prekären Angelegenheit. Indium ist ein seltenes Erdmetall, sein natürliches Vorkommen in der Erdkruste ist begrenzt.
Verantwortliche von Frontier widersprechen jedoch schnell Behauptungen, die Produktion könnte aufgrund globaler politischer Krisen oder anderer möglicher Lieferengpässe gefährdet sein.
“Derzeit gibt es in der Erde mehr Indium als Silber“, sagt Produktmanager James Plastow. „China kontrolliert viel davon, doch auch im Rest der Welt ist Indium weit verbreitet.
Das meiste Indium wird laut Solar Frontier in der LED- Industrie und nicht für die Photovoltaik verbraucht. Ohne genauere Angaben zu machen, weist das Unternehmen darauf hin, dass ein Großteil des Indiums, das es verwendet, recycelt ist.
Außerdem sei die Menge, die pro Modul für die 1,2 bis 1,5 Mikrometer dünnen CIS-Schichten notwendig ist, sehr gering. Selbst bei einer jährlichen Produktionsleistung von einem Gigawatt mache der Gesamtverbrauch nur einen kleinen Teil der weltweiten Indium-Vorräte aus.

Muttergesellschaft von Solar Frontier arbeitet seit 1993 mit CIS
Solar Frontier ist absolut kein Neuling auf dem Gebiet der CIS-Technologie. Seine Muttergesellschaft Showa Shell Sekiyu ist bereits seit 1978 in der Photovoltaik-Forschung tätig. Nachdem das Unternehmen in den 1980er-Jahren amorphes Silizium erforscht hatte, begann es 1993, mit CIS zu arbeiten. Die Forschung wurde von der japanischen New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) finanziert.
Showa Shell Sekiyu entschied sich 2005 für die Herstellung von CIS-Dünnschichtmodulen. Die Modulfabrik in Kunitomi ist die dritte CIS-Produktionsanlage von Solar Frontier. Ihre Produktionsleistung ist zehnmal größer als die der 20 MW-Anlage Miyazaki 1 und der 60 MW-Anlage Miyazaki 2 zusammen.

Auf die Größe kommt es an: Automatisierung und Massenproduktion
Für das Werk in Kunitomi waren sehr große Investitionen nötig. Solar Frontier rechnet mit einer Milliarde US-Dollar (693 Millionen Euro). Die Fabrik wurde nach einem engen Zeitplan fertig gestellt. Im Februar 2011 startete die kommerzielle Modulproduktion, nur 16 Monate nach Baubeginn im September 2009. Das Werk wurde im April 2011 offiziell eröffnet. Sowohl seine Größe als auch sein hoher Automatisierungsgrad sind bemerkenswert.Die Fabrik ist 400.000 qm groß, mit riesigen Flächen für die Modulproduktion und –lagerung. Und dennoch ist es in der die Produktionshalle unheimliche still – außer dem Summern der Maschinen.
Alles in allem arbeitet pro Megawatt jährlicher Produktionsleistung weniger als ein Angestellter in der Fabrik, die meisten in der Qualitätskontrolle und Prüfung.
“Unser Werk braucht 7 – 800 Leute”, sagt Brooks Herring, Executive VP of Communications and Operations bei Solar Frontier. “In China würden in solch einem Werk 7 – 8.000 Menschen arbeiten.”
Dieser hohe Automatisierungsgrad habe viele Vorteile, u. a. niedrigere Produktionskosten und eine bessere Qualitätskontrolle.
Solar Frontier erklärt zwar, dass für eine kostengünstige Dünnschichtmodul-Herstellung keine Massenproduktion wie bei kristallinen Si-Modulen erforderlich sei. Aber die Größe dieser Anlage sei dem Ergebnis schon zuträglich.
“Es fallen viele Kosten an. Wenn sie sich auf ein Gigawatt verteilen lassen, ist es viel besser, als wenn sie bei einem Megawatt anfallen“, sagt Produktmanager James Plastow.

Das CIS-Verfahren von Solar Frontier
Es gibt andere Unternehmen, die ähnlich große Fabriken bauen könnten, es aber nicht tun. Die massiven Investitionen von Solar Frontier in die Kunitomi-Fabrik belegen nicht nur, wie liquide die Muttergesellschaft Show Shell Sekiyu ist, sondern auch, wie fest das Unternehmen von seinem CIS-Verfahren überzeugt ist.

Dieses Verfahren unterscheidet sich etwas von dem anderer Hersteller. Die Grundbausteine der Zellen und Module sind dieselben: Glas, eine Molybdänelektrode, ein CIS p-Typ-Übergang, eine Zwischenschicht, ein durchsichtiger Vorderseitenkontakt und Deckglas. Die Unterschiede liegen im Detail.
Solar Frontier arbeitet mit dem unternehmenseigenen Selenisierungs- und Sulfurisierungsprozess, der auf einem von Siemens entwickelten Verfahren basiert. Damit wird die CIS-Schicht hergestellt. Andere CIS-Hersteller verwenden dazu das Ko-Verdampfungsverfahren. Noch einzigartiger ist die Zn(S,OH)x-Schicht, da die meisten Hersteller Kadmiumsulfid verwenden.Mit unternehmenseigenen Verfahren gelang es Wissenschaftlern von Solar Frontier im Atsugi Research Center in Tokio, 30 cm x 30 cm Module mit einem Wirkungsgrad von 17,2 % auf der Aperturfläche herzustellen.
Das Unternehmen plant, die technischen Errungenschaften, die zu diesem Wirkungsgrad geführt haben, auf seine Produktionslinien zu übertragen.
Solar Frontier hält sich mit Ausführungen zu diesen beiden Verfahren bedeckt, denn damit unterscheidet sich sein CIS-Produkt von anderen.
“Wir produzieren in zehn Schritten”, sagt Vizepräsident Brooks Herring. „Sechs davon sind wirklich einfach. Die anderen drei bis dreieinhalb sind richtig schwierig, und niemand anders kann das.“

Selenisierung und Sulfurisierung im Einzelnen
Die Selenisierungs- und Sulfurisierungs-Verfahren starten mit den Ausgangsstoffen Kupfer, Indium und Gallium. Zunächst erfolgt ein Zerstäubungs-, dann ein Härtungsprozess mit den Gasen H2Se and H2S in zwei Einzelschritten. Solar Frontier beschreibt den zweiten Sulfurisierungs-Schritt als “eine Art forschrittlicher Selenisierung”.
“Wir bringen eine weitere Schicht mit einer höheren Bandlücke auf die Kupfer-Indium-Diselenid-Schicht um einen Mehrschichtübergang zu erreichen“, erklärt Satoru Kuriyagawa, Technologiechef bei Solar Frontier. „Das ist sehr wichtig für eine gleichbleibende Leistung. Und deshalb nutzen wir das Sulfurisierungs- und Selenisierungsverfahren.“
Dieses Verfahren sorge für eine gleichmäßige Produktion in Hochgeschwindigkeit. Durch die hauseigene Selenisierung werde nur ein Vierzigstel der Selenmenge benötigt, die bei der Ko-Verdampfung nötig sei. Ein weiterer Vorteil: überschüssiges Kupfer, Gallium und Indium könnten wiederverwendet werden, da sie beim Sputtern nicht verunreinigt werden.
Technische Artikel zeigen mögliche Abläufe der beiden Verfahren, beginnend bei 200 °C bis zu 500 °C. Solar Frontier gibt jedoch die Temperaturen nicht preis, bei denen H2Se und H2S aufgebracht werden. Der Technikchef des Unternehmens, Satoru Kuriyagawa, sagt, dass Hochgeschwindigkeits-Produktion nötig sei, um die Kosten niedrig zu halten. Je höher die Temperatur sei, desto länger dauere die Kühlung bis zum nächsten Arbeitsschritt.

Pufferschicht aus Zinkhydroxid
Eine zweite Neuheit bei Solar Frontier ist die Verwendung von Zinkhydroxid (Zn(S,OH)x) als Pufferschicht, im Gegensatz zu den Schichten aus Cadmiumsulfid, wie sie andere CIS-Hersteller wie Würth Solar, Soltecture, Global Solar und AVANCIS verwenden. Die Schicht wird mithilfe eines chemischen Dampfabscheidungs-Verfahrens aufgebracht, das ein besseres Kristallwachstum liefere als die Beschichtung mittels Sputtering.
Die Zinkhydroxid-Schicht ermögliche eine bessere Absorption von kurzwelligem Licht und damit eine größere Stromproduktion nachmittags und abends. Damit könne außerdem auf das leicht giftige Cadmium verzichtet werden.

CIS-Märkte: Ein gutes Produkt zur falschen Zeit?
Fortschrittliche Technologien und Verfahren allein garantieren jedoch noch keinen Markterfolg. Solar Frontier hat zwar einen langwierigen Weg hinter sich, bis es das Kunitomi-Werk voll in den gewerblichen Betrieb nehmen konnte, aber der Zeitpunkt, eine derart große Produktion zu starten, war vielleicht nicht ganz optimal.
Ein Großteil der Verkäufe des Unternehmens wurden seit jeher im japanischen Markt getätigt, insbesondere Module für Solarstromanlagen auf Privathäusern (bis November 2010 waren es insgesamt 23,6 MW). Die Katastrophe von Fukushima hat die Einstellung der Japaner zur Atomkraft stark verändert, und Japan steht kurz vor der Einführung einer neuen Solarstrom-Einspeisevergütung. Das Land hat jedoch immer noch mit sehr hohen Systemkosten für Photovoltaik zu kämpfen, und seine konservativen Politiker hängen immer noch sehr an der Atomindustrie. Um alle in Kunitomi hergestellten Module zu verkaufen, muss das Unternehmen herausragende Erfolge in vielen großen PV-Märkten erzielen. Das Unternehmen hat in den europäischen PV-Märkten bis November 2010 Module mit einer Gesamtleistung von 55,5 MW für Großanlagen verkauft, ist aber auf den noramerikanischen Märkten noch weniger präsent.
Die weltweite Solarbranche hat ein sehr schwieriges erstes Halbjahr 2011 hinter sich. Viele Unternehmen berichteten von Umsatzrückgängen, und fast jeder PV-Hersteller hat dramatische Gewinneinbußen verzeichnet, da die Preise in den ersten beiden Quartalen eingebrochen waren.
Außerdem erwarten einige Branchenanalysten für 2012 und 2013 einen kleineren Photovoltaik-Weltmarkt. Andere Märkte sollen größer werden und den erwarteten Rückgang des Marktanteils von Deutschland und Italien teilweise auffangen.
In diesem Umfeld muss Solar Frontier doppelt so hart arbeiten, um alle Module zu verkaufen, die das Unternehmen produzieren kann. Das würde bedeuten, dass sich der derzeitige Marktanteil der CIS-Module mehr als verdoppelt.

Partnerschaften mit großen EPC-Unternehmen; Unterstützung von Showa Shell Sekiyu
Solar Frontier wirft jedoch einen weit reichenden Blick auf die weltweite PV-Branche und könnte in der Lage sein, seine Produkte selbst unter schwierigen Umständen komplett zu verkaufen. Einerseits ist der Wert seiner Module ein starkes Argument; Das Unternehmen ist aber auch Partnerschaften mit den großen EPC-Unternehmen Belectric und General Electric eingegangen, um die es beneidet wird.
Der Präsident von Solar Frontier, Shigeaki Kameda, betont, dass sein Unternehmen anders als andere Modulhersteller derzeit kein Überangebot habe. Die größte Herausforderung sei es, die Produktionsleistung schnell zu erhöhen, um der Nachfrage gerecht zu werden.
Im Übrigen könnte das Unternehmen mit der Unterstützung von Show Shell Sekiyu auch ein paar schlechte Quartale überstehen, ohne einzubrechen oder sich neu aufstellen zu müssen, so wie es einigen Unternehmen in den letzten Monaten erging.
Die nächsten paar Quartale werden zeigen, ob Solar Frontier mit seiner Rieseninvestition in das Kunitomi-Werk richtig lag, aber das Unternehmen scheint zu spüren, dass das Risiko größer ist, wenn es nichts unternimmt.
“Wir haben fünf bis zehn Jahre gebraucht, um von einem kleinen zu einem kommerziellen Unternehmen zu werden“, sagt Kameda. „Wenn wir zu langsam sind, fallen wir im Rennen um technologische Entwicklungen zurück.“

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