Solar-Reports:

Dünnschicht-Solartechnik:
Neue Technologien zur Kostensenkung der Photovoltaik

Nachdem der Solar-Report 3/06 den Stand der Forschung und Entwicklung der derzeit dominierenden Siliziumwafer-Technologie beleuchtet hat, widmet sich der aktuelle Solar-Report den materialeffizienten Dünnschicht-Solarzellenkonzepten, denen wegen des anhaltenden Siliziummangels und möglicher Kostensenkungen beträchtliche Chancen auf dem PV-Markt eingeräumt werden. Aus diesen Gründen beschäftigt sich auch das internationale PV Industry Forum im Vorfeld der Messe Intersolar 2006 mit diesen Technologien. In Freiburg werden am 21.06.2006 Vertreter führender Hersteller von Dünnschichtzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium, CIS-Solarzellen und Cadmiumtellurid-Modulen über Technologie und Märkte sprechen. Außerdem stehen Solar-Wafer aus bandgezogenem Silizium auf dem Programm. Mark Farber, Vizepräsident des US-Herstellers Evergreen Solar, rechnet damit, dass kristallines Silizium auch in den kommenden fünf Jahren einen Marktanteil von 90 % oder mehr haben wird – und dass der PV-Markt weiter wachsen wird: 20 – 30 % Zuwachs seien möglich, Der Solarstrommarkt in Deutschland könnte laut Farber sogar noch stärker wachsen. Evergreen Solar setzt auf die Silizium sparende String Ribbon-Technik, bei der zwei Drähte durch flüssiges Silizium gezogen werden und das Silizium in Form eines Bandes erstarrt, das dann in Scheiben geschnitten wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Produktion kristalliner Solarwafer kommt Evergreen Solar mit etwa der Hälfte Silizium aus.

Solarpark mit Dünnschichtmodulen. Silizium sparende Solarzellen vom Band.
Links: Solarpark mit Dünnschichtmodulen. Rechts: Silizium sparende Solarzellen vom Band. Fotos: Blitzstrom GmbH; Evergreen Solar.

Dünnschicht-Solarkraftwerke der Megawatt-Klasse – Neue Produktionsstätten für schlanke Solarzellen

Dünnschichtmodule, die bis vor kurzem noch einen Nischenmarkt darstellten, werden mittlerweile auch in Solarparks der Megawatt-Klasse eingesetzt. So baut beispielsweise die Phönix SonnenStrom AG eine Freilandanlage bei Würzburg mit einer Leistung von rund 1,7 Megawatt und die Beck Energy errichtet den Solarpark "Markt Bibart I", der im Endausbau über eine Spitzenleistung von 3.160 MWp verfügen wird. Beide Unternehmen setzen Dünnschichtmodule von First Solar ein. Welche Bedeutung der Dünnschichttechnologie zugemessen wird, zeigt die Beihilfe der Bundesregierung für die FIRST SOLAR Manufacturing GmbH (FSM) in Höhe von 45,5 Millionen Euro für die Errichtung einer Fabrik zur Herstellung von Solarmodulen in Frankfurt (Oder), die staatliche Unterstützung wurde Ende April 2006 von der EU-Kommission nach den Beihilfevorschriften des EG-Vertrags genehmigt. Im März hatte sich der Solar-Systemanbieter aleo solar GmbH (Oldenburg) den Zugriff auf die CIGSSe-Dünnschicht-Technologie gesichert. Diese basiert auf Kupfer, Indium, Gallium, Sulfid und Selen und gilt als aussichtsreiche Entwicklung in der Solarindustrie.

Der umfangreiche Solar-Report gliedert sich in folgende Abschnitte

I. Dünne Solarzellen auf preisgünstigen Trägermaterialien
II. Dünnschichtzellen aus kristallinem Silizium
III. Dünnschichtzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium
IV. CIS-Solarzellen
V. Cadmiumtellurid-Solarzellen

Nach einer Einführung in die Dünnschichttechnologie beschreibt der Solar-Report in Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst Verfahren zur Produktion von Solarzellen aus kristallinem Silizium, aus amorphem und mikrokristallinen Silizium sowie CIS- und Cadmiumtelluridzellen. BINE Informationsdienst

I. Dünne Solarzellen auf preisgünstigen Trägermaterialien

In Dünnschichttechnologie gefertigte Solarmodule basieren auf Halbleitern, die vorzugsweise großflächig und meist kostengünstig auf preiswerte Trägermaterialien (Substrate) aufgebracht werden, wie beispielsweise Glas, Metall- oder Plastikfolien. Die verschiedenen Technologievarianten sind noch nicht so weit zur Serienreife gebracht worden wie die im Solar-Report 3/2006 beschriebene Siliziumwafer-Technologie, sie bieten aber mittelfristig ein großes Kostensenkungspotenzial. Der hohe Preisdruck (Kosten pro Watt peak) und Wachstumsdruck (jährliche Produktion in Gigawatt) bei kristallinem Silizium bewirken einen Trend hin zu größeren Solarzellen, die aus möglichst dünnen Silizium-Scheiben (Wafern) gefertigt werden. Ein Nachteil dieser dünnen Scheiben ist ihre Zerbrechlichkeit, die eine sanfte Prozessführung bei der Zellen- und Modulherstellung erfordert.

Herkömmliche wafer-basierte Solarzellen werden daher auch bei größten Anstrengungen in Zukunft eine Dicke von 50 Mikrometern (µm) kaum unterschreiten können. Um noch dünnere Solarzellen herzustellen, sind neue Verfahren erforderlich, mit denen entweder sehr dünne Halbleiterschichten direkt auf stabilisierende Substrate abgeschieden werden oder Silizium-Scheiben auf solche Substrate aufgebracht werden können. So lässt sich eine erhöhte mechanische Stabilität erzielen und die Handhabbarkeit deutlich vereinfachen. Die Dicke der Schichten reicht von wenigen µm bis hin zu 50 µm. Das bringt, je nach Technik, deutliche Vorteile mit sich: Teures Halbleitermaterial wird im Vergleich zur konventionellen Wafer-Technologie eingespart. Das Zusammensetzen der Module aus Zellen entfällt, denn die großflächig abgeschiedenen Halbleiterschichten werden in kleinere Zellen unterteilt und dann integriert verschaltet. Und mit der Dünnschicht-Technologie lassen sich quadratmetergroße Glassubstrate beschichten, was den Handhabungsaufwand in der Fabrik senkt.

Die verschiedenen Halbleitermaterialien nutzen das Sonnenspektrum unterschiedlich.
Auf der Suche nach dem optimalen Solarzellen-Material: Die verschiedenen Halbleitermaterialien nutzen das Sonnenspektrum unterschiedlich: Der langwellige Spektralbereich jenseits der materialspezifischen Bandlücke bleibt gänzlich ungenutzt. Und auch bei der energiereichen Strahlung geht bei Solarzellen die überschüssige Photonenenergie verloren (Quelle: HMI)

Direkte Halbleiter und Lichtfallen sorgen für hohe Absorption

Bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen sind jedoch einige technologische Hürden zu überwinden. Die erforderliche hohe Licht-Absorption trotz geringer Schichtdicke wird zum einen durch den Einsatz von "direkten" Halbleitern wie Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmiumtellurid erreichet. Zum andern ermöglicht die Integration von so genannten Lichtfallen eine Verlängerung des Lichtweges in der Solarzelle, so dass hohe Wirkungsgrade auch mit sehr dünnen Schichten aus kristallinem Silizium erreicht werden, einem "indirekten" Halbleiter mit Kristallgitterdefekten. Generell gilt, das auch Dünnschichtsolarzellen möglichst hohe Wirkungsgrade haben müssen, damit ihr Kostenvorteil bei der Herstellung nicht durch steigende Preise der Solarstromanlage aufgehoben wird, die proportional zur benötigten Modulfläche des PV-Generators wachsen.

Material/ Dicke in µm Labor-Wirkungsgrad Zelle % Labor-Wirkungsgrad Modul %
Kupfer-Indium-Diselenid
(Cu(In1-xGax)Se2)
8 19,5 13,6 - 16,6
Cadmiumtellurid (CdTe) 10 16,5 10,7
Amorphes Silizium 0,5 - 2 12 - 13 6,4 - 11,7
Kristallines Silizium 2 - 50 10,7 - 19,6 8,2 - 12,4
Zum Vergleich: Silizium-Wafer 250 24,7 22,7
Wirkungsgrade der Dünnschichtzellen und –module im Vergleich zu Zellen aus "dicken" Wafern. Quelle: BINE Informationsdienst

Die Wirkungsgrade der Dünnschichtmodule liegen unter den Spitzenwirkungsgraden einzelner Zellen. Das liegt vor allem daran, dass Laborwirkungsgrade Bestwerte für ausgesuchte kleine Flächen darstellen (typischerweise in der Größe weniger mm2 bis cm2) und keine Verluste durch die Modulverschaltung enthalten. Das Erreichen vergleichbarer Wirkungsgrade auf quadratmetergroßen Flächen stellt eine enorme technische Herausforderung dar. Dies gilt besonders für die gleichförmige (homogene) Abscheidung der Halbleiterschichten, bei denen selbst mikroskopisch kleine Löcher zu einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades f ühren können.


II. Dünnschichtzellen aus kristallinem Silizium

Ideal wäre es, mit wenigen Mikrometern Silizium anstelle der 250 µm dicken Siliziumscheiben hohe Wirkungsgrade und Produktionsausbeuten zu erreichen. Langwelliges Licht aus dem infraroten Spektrum wird aber im Silizium schlecht absorbiert. Ein großer Teil der von der Sonne emittierten Strahlung liegt jedoch gerade in diesem Spektralbereich. Um die Absorption in sehr dünnen Siliziumschichten deutlich zu erh öhen, werden so genannte Lichtfallen verwendet.

Ein Reflektor auf der Rückseite verdoppelt die Lichtweglänge in der Solarzelle Theoretischer maximal erreichbarer Wirkungsgrad einer idealen kristallinen Siliziumsolarzelle der Dicke W (Gestrichelte Linie).
Abbildung links: Ein Reflektor auf der Rückseite verdoppelt die Lichtweglänge in der Solarzelle. (A) Durch eine texturierte Oberfläche wird Licht, das schon in der Zelle ist, durch Totalreflexion länger in der Zelle gehalten. Außerdem reduziert die Textur die externe Reflexion an der Zellenvorderseite. Abbildung rechts: Theoretischer maximal erreichbarer Wirkungsgrad einer idealen kristallinen Siliziumsolarzelle der Dicke W (Gestrichelte Linie). Durchgehende Linie: Berechneter maximaler Wirkungsgrad unter der Annahme einer technisch erreichbaren Herstellung. Grafik A: BINE Informationsdienst, Quelle B: ISFH
Durch den Einsatz von Lichtfallen sollten auch mit nur wenigen µm dünnen kristallinen Siliziumschichten sehr hohe Wirkungsgrade möglich sein. Die Grafik oben rechts zeigt den erwarteten Wirkungsgrad für eine ideale kristalline Silizium-Solarzelle mit einer nahezu optimalen Lichtfalle und unter Berücksichtigung der physikalisch unvermeidbaren Rekombinationsprozesse. Solch optimale Bedingungen liegen in realen Solarzellen jedoch nicht vor. Mit einer guten Passivierung und geeigneten Lichtfallen lassen sich mit extrem dünnen Siliziumzellen jedoch immerhin Wirkungsgrade von über 18% erreichen

Von den verschiedenen Ansätzen für hohe Wirkungsgrade mit weniger kristallinem Silizium werden vier Techniken skizziert. Manche der Technologien befinden sich noch im Forschungsstadium, andere Konzepte stehen unmittelbar vor der Realisierung in industriellem Maßstab.

II.1 Siliziumabscheidung bei niedrigen Temperaturen - Solarmodule auf Glassubstraten

Eine deutliche Kostenersparnis kann erreicht werden, indem die photovoltaische Absorberschicht großflächig auf ein kostengünstiges Glassubstrat abgeschieden wird. Dafür muss auf hohe Temperaturen verzichtet werden, da das Glas sonst weich wird. Niedrige Prozesstemperaturen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Weil die Siliziumatome bei niedrigen Prozesstemperaturen ihre optimale Position im Kristallgitter nicht so leicht „finden“ können entstehen verlustträchtige Defekte. Da der Weg der generierten Ladungsträger zu den Kontakten an den Zelloberflächen in dünnen Schichten kürzer ist als in dicken Zellen, können bei Dünnschicht-Solarzellen höhere Defektdichten toleriert werden. Wenn die Lichtfallen gut sind, lässt sich mit dünnen Zellen – bei konstanter Defektdichte – sogar mehr Strom erzeugen.

Dünnschicht-Beschichtungsanlage in der Pilotlinie der CSG Solar AG.
Foto: Dünnschicht-Beschichtungsanlage in der Pilotlinie der CSG Solar AG. Quelle: CSG Solar AG

Silizium auf Glas: Herstellungskosten bei 1,7 Euro je Watt peak

Ein aktuelles Beispiel ist die „Crystallien Silicon on Glas“-Technologie (CSG) Um die Lichtabsorption zu erhöhen, wird die Glasoberfläche vor der Abscheidung der Silizium-Absorberschichten durch Auftragen von Partikeln aufgeraut, so dass nur 1,4 µm dicke Silizium-Schichten für die Lichtabsorption notwendig sind. In nur einer Maschine werden nacheinander eine Antireflexionsschicht und drei amorphe Silizium-Schichten auf Glas abgeschieden. Die amorphen Silizium-Schichten werden dann in einem Ofen bei etwa 600°C zu kristallinen Silizium-Schichten umgeformt.
Die 9000 Quadratmeter große Produktionsanlage der CSG Solar AG in Sachsen-Anhalt wurde im März 2006 eingeweiht. Die erste Ausbaustufe (CSG-1) soll bis Mitte des Jahres eine Kapazität von 10 MW erreichen. Bis Ende des Jahres soll die Produktionskapazität in einer zweiten Ausbaustufe (CSG-2) auf eine volle Jahresleistung von 20 - 25 MW erweitert werden.

CSG-Minimodule (20 Zellen auf 96 cm2) erreichen einen Wirkungsgrad von 8%. Auch weit größere Module (930 cm2) wurden bereits hergestellt. Kostenrechnungen für 1.400 cm2 große Module ergeben bei 8% Modulwirkungsgrad Herstellungskosten von 1,7 €/Wp . Als vorteilhaft für die CSG-Technologie erweist sich, dass für die Siliziumabscheidung eine Produktionstechnik für Flachbildschirme genutzt werden kann.

II.2 Siliziumabscheidung bei hohen Temperaturen - Solarzellen und –module auf Keramiksubstraten

Höhere Abscheidetemperaturen erlauben defektärmere Schichten, weil die Silizium- Atome während des Wachsens viel beweglicher sind und so den richtigen Platz im Siliziumkristallgitter leichter finden. Wirkungsgrade von mehr als 15% wurden bislang bei Temperaturen von ca. 1.000°C erreicht. Hierfür werden Keramik-Substrate verwendet. Darin enthaltene Verunreinigungen diffundieren jedoch in die dünne Silizium-Schicht und erzeugen verlustträchtige Defekte im Kristallgitter. Forschungsinstitute wie das ZAE Bayern und das Fraunhofer ISE arbeiten zusammen mit Industriepartnern (HC Strack GmbH, RWE Schott Solar) an kostengünstigen und ausreichend glatten hochtemperaturstabilen Keramiksubstraten, an der die Versiegelung der Keramik mit Diffusionsbarrieren, einem kostengünstiges Verfahren für die Silizium-Beschichtung und an einem für die Serienfertigung geeigneten Verfahren.

Am ZAE Bayern wird derzeit eine neue Beschichtungsanlage erprobt.
Foto: ZAE/RWE Schott Solar
Im Unterschied zum Niedertemperaturansatz stehen für die Hochtemperaturabscheidung keine Anlagenkonzepte aus der Mikroelektronik zur Verfügung, mit denen quadratmetergroße Flächen bei hohen Temperaturen mit Silizium beschichtet werden könnten. Am ZAE Bayern wird derzeit eine neue Beschichtungsanlage erprobt, welche die Gase im Reaktor konvektionsgestützt so führt, dass homogene Kristallwachstumsraten auf großen Flächen möglich sind. Mit dem ZAE-Prototypreaktor können Flächen von 40x40 cm2 homogen mit Silizium beschichtet werden. Modellrechnungen werden zeigen, ob dieses Konzept auf noch größere Flächen übertragbar ist. Auf Testsubstraten wurden vom ZAE integriert verschaltete Kleinmodule mit Wirkungsgraden von 6% hergestellt. Ziel der Forschung ist, die elektronische Qualität der großflächig abgeschiedenen Schichten weiter zu verbessern.

II.3 Mit dem Schichttransfer-Verfahren produzierte Zellen

Die Herstellung dünner Siliziumschichten auf Silizium-Substraten ist einfacher als die Abscheidung von Silizium auf einem Fremdsubstrat. Allerdings müssen die abgeschiedenen Schichten dann vom Siliziumsubstrat abgelöst werden. Ein geeignetes Verfahren ist der PSI-Prozess bei dem poröses Silizium eine Sollbruchstelle zwischen Silizium-Substrat und Solarzellenmaterial bildet. Das einkristalline Silizium-Substrat wird an der Oberfläche porös geätzt, um darauf eine einkristalline Silizium-Dünnschicht bei hohen Temperaturen und hohen Raten aufzuwachsen (0,5 bis 1 µm/min). Die 5 bis 25 µm dünnen Schichten werden vom Wachstumssubstrat an der Stelle des porösen Siliziums vom Silizium-Substrat abgelöst und auf ein Glas übertragen. Das Siliziumsubstrat kann danach für weitere Herstellungsprozesse eingesetzt werden.

Schematische Darstellung des Schichttransferverfahrens mit dem PSI-Prozess.
Schematische Darstellung des Schichttransferverfahrens mit dem PSI-Prozess.
1: Texturiertes Siliziumsubstrat. 2. Siliziumsubstrat: 3: Poröses Silizium: 4: Silizium-Solarzelle.
5: Glasträger. 6: Neuer Zyklus. (Grafik: ISFH)
Wenn das Substrat vor dem Ätzen der porösen Schicht eine raue Oberfläche hat, übernimmt die einkristalline Silizium-Dünnschicht die Form des Substrates. Auf diese Weise erzielt man sehr effektive Lichtfallen, die zu einer starken Absorption des Sonnenlichts führen. Die am ISFH (Hameln) mit dem PSI-Prozess hergestellten Solarzellen erreichen mit einer 24 cm2 großen und 25 µm dünnen Silizium- Schicht einen Wirkungsgrad von 15,6%, als erreichbar gelten 18%. Die neunfache Verwendung eines Substrates wurde bereits demonstriert.

II.4 Intelligentes Schneiden spart Silizium

SLIVER (engl. Streifen) steht für einen weiteren Ansatz, den Siliziumbedarf deutlich zu verringern. Bei der Herstellung dieser Solarzellen wird hochwertiges klassisches monokristallines Silizium in dünnen Streifen verarbeitet. Der Siliziumverbrauch kann in Kombination mit einer neuen Modultechnologie um ca. 90% reduziert werden.

In 1-2 mm dicke monokristalline Silizium-Wafer werden streifenförmig schmale Gräben hineingeätzt, so dass etwa 50 µm dünne Stäbchen entstehen, die vom Waferrand gehalten werden.(Foto: Origin Energy Solar) Die Technologie wird von Origin Energy Solar (Australien) in Zusammenarbeit mit der Australian National University entwickelt. In 1-2 mm dicke monokristalline Silizium-Wafer werden streifenförmig schmale Gräben hineingeätzt, so dass etwa 50 µm dünne Stäbchen entstehen, die vom Waferrand gehalten werden.
An der Australian National University hergestelltes Photovoltaikmodul (Hintergrund) aus SLIVER-Solarzellen
Jedes Stäbchen wird in diesem Rahmen zu beidseitig aktiven Solarzellen gefertigt. Die Stäbchen werden so angeordnet, dass die breitere Seite der Sonne zugewandt ist. Die insgesamt entstehende Solarzellenfläche ist um ein Vielfaches größer als die ursprüngliche Waferfläche. Dies reduziert den flächenspezifischen Prozessaufwand. Es müssen aber hunderte kleiner Solarzellen zu einem Modul verschaltet werden.

Um Silizium zu sparen werden die kleinen Solarzellen mit einem Abstand im Modul eingebaut, der ungefähr ihrer Breite entspricht. Das Licht, das zwischen zwei Stäbchen hindurchtritt, wird an der Modulrückseite diffus in Richtung der rückseitigen Solarzellenoberfläche reflektiert. An einzelnen beidseitig aktiven Solarzellen mit Dicken von etwa 50 µm wurden Wirkungsgrade von über 19% gemessen. Dies ist der höchste Wirkungsgrad unter allen Dünnschicht-Ansätzen. Mit Kleinmodulen der Größe 10x10 cm2 wurde ein Wirkungsgrad von 17,7% erzielt. Mittlerweile hat Origin Energy Solar in ihrer 5 MW-Pilotlinie (Erweiterung auf 25 MW geplant) die ersten 140 W-Module hergestellt. Der Modulwirkungsgrad beträgt ca. 10%, obwohl nur 50% der Modulfläche mit Solarzellen belegt sind.

III. Dünnschichtsolarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium

Solarmodule aus amorphem Silizium finden sich heute in Kleinanwendungen (z.B. Uhren oder Solarlampen). Sie bieten spezifische Vorteile für die Gebäudeintegration und werden mittlerweile auch in größeren Anlagen eingesetzt. Die niedrigen Kosten können die vergleichsweise geringen Wirkungsgrade von 6-7% oft ausgleichen. Deutlich höhere Wirkungsgrade verspricht ein neuer Ansatz, bei dem amorphes und mikrokristallines Silizium in so genannten Tandemsolarzellen kombiniert wird.

Bei amorphem Silizium (a-Si:H) sind die Siliziumatome nicht regelmäßig sondern in einem ungeordneten Netzwerk angeordnet, welches rund 10% Wasserstoffatome enthält. Die so genannte Bandlücke des Materials, die das Absorptionsverhalten eines Halbleiters bestimmt, ist größer als die von kristallinem Silizium. Daher liefern die amorphen Solarzellen hohe Zellspannungen. Unter Beleuchtung nimmt der Wirkungsgrad der Solarzellen zunächst ab, bleibt aber dann stabil. In der Anwendung werden für a-Si Solarmodule stets die stabilisierten Wirkungsgrade nach vollständiger Alterung angegeben.

Spektrale Empfindlichkeit von Tandemzellen derMaterialkombination a-Si/µc-Si. 4a-Si/3µc-Si und µc-Si Solarmodul im Beleuchtungstest.
Links: Spektrale Empfindlichkeit von Tandemzellen derMaterialkombination a-Si/µc-Si. In Tandemzellen „spezialisieren“ sich zwei Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien auf verschiedene Bereiche des Lichtspektrums. Rechts: 4a-Si/3µc-Si und µc-Si Solarmodul im Beleuchtungstest. (Grafiken: IPV/FZJ)


Mikrokristallines Silizium (µc-Si:H) ist eine Mischung aus sehr kleinen Siliziumkristallen und amorphem Silizium. Es zeigt aber keine oder nur eine sehr geringe Lichtalterung und absorbiert im Gegensatz zum amorphen Silizium auch Sonnenlicht aus dem nahen Infrarotspektrum.

Sowohl amorphes als auch mikrokristallines Silizium wird mit dem PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) durch Zerlegung von Silan (SiH4) und Wasserstoff hergestellt. Je nach Prozessparameter bildet sich das Silizium in amorpher oder mikrokristalliner Struktur. Die Produktion läuft bei niedrigen Temperaturen von ca. 200°C, so dass kostengünstige Substratmaterialien wie Glas aber auch Metall- und Kunststofffolien eingesetzt werden können. Am Institut für Photovoltaik (IPV) im Forschungszentrum Jülich (FZJ) wurde für Tandemzellen aus der Materialkombination a-Si:H/µc-Si:H ein spezieller Vorderseitenkontakt aus nanotexturierten Zinkoxidschichten entwickelt. Zusammen mit dem reflektierenden Rückkontakt streuen sie das Licht in der Solarzelle nahezu vollständig und ermöglichen so hohe Wirkungsgrade. Erste Tandemsolarzellen aus a-Si:H und µc-Si:H wurden 1994 an der Universität Neuchatel in der Schweiz entwickelt. Technologieführer ist heute der japanische Hersteller Kaneka, der bereits in kleinem Umfang Solarmodule für den japanischen Markt produziert. Inzwischen hat auch Sharp eine Produktion von a-Si:H/µc-Si:H -Solarmodulen mit einer Jahreskapazit ät von 15 MWp angekündigt.

Monolithische Serienverschaltung per Laser

Am IPV in Jülich werden mit industrienahen Prozessen Solarmodule auf Glassubstrat mit Abmessungen von 10x10 cm2 und 30x30 cm2 hergestellt. Hier hat man bereits einen Modulwirkungsgrad von 10,1% erreicht. Die monolithische Serienverschaltung erfolgt dabei ausschließlich mit Laserverfahren. Aktuelle Forschungsaktivitäten zielen auf eine weitere Erhöhung des Modulwirkungsgrads auf 12% und die Umsetzung in ein industrielles Massenprodukt.

Monolithische Serienverschaltung per Laser. (Foto: IPV/FZJ)

Dabei geht es um eine Erhöhung der Abscheiderate und die Skalierung des PECVD-Prozesses für mikrokristallines Silizium auf große Flächen. Hierbei gibt es erste Erfolge: Eine im Labor des IPV hergestellte Solarzelle aus mikrokristallinem Silizium erreicht einen Wirkungsgrad von 10% Zusammen mit der Firma Applied Films in Alzenau gelang es, den Prozess für a-Si/µc-Si Tandemzellen auf einen Quadratmeter auszuweiten.

IV. CIS-Solarzellen

Schon 1975 wurden mit Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2, kurz: CIS) Wirkungsgrade von über 12% erzielt. Inzwischen erreicht man im Labor gut 19%, in der Pilotproduktion liegt man bei 11 – 13%. Und CIS-Solarzellen haben noch Potenzial: Geringe Herstellungskosten bei Großserienproduktion und hohe Wirkungsgrade mit (Multi-)Tandemzellen.

Schichtenaufbau einer CIS-Dünnschichtsolarzelle. Rasterelektronische Aufnahme der Bruchkante.
Links: Schichtenaufbau einer CIS-Dünnschichtsolarzelle. Rechts: Rasterelektronische Aufnahme der Bruchkante. Grafik und Foto: ZSW

CIS zeichnet sich durch eine hohe Lichtabsorption aus. Diese Halbleiter sind durch Eigendotierung p-leitend und werden mit einem n-leitenden Fenstermaterial aus Cadmiumsulfid (CdS) und Zinkoxid (ZnO) zu einer großflächigen Solarzelle verarbeitet. Als Rückkontakt dient eine dünne Schicht aus Molybdän, die auf Fensterglas oder Folie aufgebracht ist. Die ca. 5-10 mm breiten Zellen werden schon während der Herstellung zu Modulen verschaltet und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit einem Polymer und einem Deckglas verkapselt.

 

Die besten Laborzellen wurden bisher von NREL (USA) mit einem modifizierten Koverdampfungsverfahren hergestellt. Einzelne Zellen erreichten Wirkungsgrade von 19,5% auf einer Fläche von 0,41 cm2. Die besten Minimodule auf 16 cm2 Fläche erzielte ASC in Schweden mit 16,6%. Würth Solar hat den Bau einer neuen Produktionslinie angekündigt, die ab 2007 eine Kapazität von 15 MWp erreichen soll. Shell Solar hat mit 3 MWp Jahreskapazität die zur Zeit größte Produktion. Global Solar bietet als einziger Hersteller flexible CIS-Module an. Alle weiteren Aktivit äten befinden sich noch im Pilot- oder Entwicklungsstadium.

Mehr als tausend CIS-Module zeigen am Getreidesilo der Schapfenmühle bei Ulm ein homogenes Erscheinungsbild Foto: Würth Solar.

V. Cadmiumtellurid-Solarzellen

Cadmium ist zwar ein giftiges Element, das nicht in die Natur oder in Lebensmittel gelangen darf, in Solarzellen eingesetzt ist das Schwermetall jedoch weitgehend unproblematisch, weil die Cadmiumtellurid-Verbindung chemisch sehr stabil ist. Auch sind die Solarzellen hermetisch zwischen zwei Glasscheiben eingebettet. Doch ein konsequentes Recycling mit geschlossenen Stoffkreisläufen ist unabdingbar. Cadmiumtellurid (CdTe) ist ein natürlich p-leitender Halbleiter und wegen seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften für Dünnschichtsolarzellen gut geeignet. Aufgrund des sehr hohen Absorptionsvermögens genügen wenige Mikrometer dicke Schichten. Zudem können Solarzellen aus CdTe in kostengünstigen Prozess-Schritten gefertigt werden.

Zur Herstellung eines pn-Übergangs wird ein Übergang mit dem n-leitenden Halbleiter Cadmiumsulfid (CdS), erzeugt. Auf einer Glasscheibe wird zunächst eine transparente leitende Schicht aufgebracht (TCO), auf der eine sehr dünne (ca. 100 nm) n-leitende CdS-Schicht folgt. Auf diese wird die aktive CdTe-Schicht in einer Dicke von ca. 5 µm aufgebracht; abschlie ßend erfolgt die Abscheidung der Kontaktschicht.

Fertigungslinie f ür CdS/CdTe-Dünnschichtsolarmodule.

Der komplette Fertigungsprozess von 60 x 120 cm2 großen Glasscheiben zu integriert seriell verschalteten Dünnschichtsolarmodulen erfolgt in einer 165 m langen vollautomatischen Linie. Nach einem Funktionstest werden die Solarmodule mit Metallbändern kontaktiert und durch Auflamination gleich großer Glasplatten hermetisch versiegelt.


Fertigungslinie f ür CdS/CdTe-Dünnschichtsolarmodule. (Foto: Antec)

Die elektrische Leistung der CdTe-Dünnschichtmodule von ANTEC Solar Energy liegt derzeit zwischen 43 und 50 Watt, was einem Modulwirkungsgrad von 6 bis 7% entspricht. Die Fertigungskapazität der Fabrik beträgt ca. 120.000 Module pro Jahr. Die im Labor erzielten Spitzenwerte liegen für CdTe-Solarzellen bei 16,5%. Bei Antec konnten im Labor mit produktionsnahen Prozessen gut 13% realisiert werden. CdTe-Kleinmodule (10 x 10 cm2) erzielten 10,5%. Mit der aktuellen Fertigungslinie erzielt Antec 6-7% Modulwirkungsgrad, gut 8% werden angestrebt. First Solar konnte bereits zeigen, dass Modulwirkungsgrade von 10% machbar sind.


Internationales Industrieforum zu Dünnschicht-Technologien

Der momentane Versorgungsengpass bei Solarsilizium lässt die weltweite Photovoltaikbranche über Material sparende Solarzellenkonzepte nachdenken. In dem Vortragsblock "Reducing material consumption: Thin film and silicon ribbon techniques" stellen Referenten aus Industrie und Forschung auf dem "PV Industry Forum" am 21.06.2006 in Freiburg die neuesten technologischen Entwicklungen bei Silizium- und Dünnschichtzellen vor. So senkt beispielsweise das "String Ribbon"-Verfahren des Herstellers Evergreen Solar den Siliziumverbrauch bei der Zellenherstellung um rund 50 %. Evergreen produziert in Marlboro (Massachusetts; Kapazität 15 MW) und Thalheim (Sachsen-Anhalt; 30 MW). Im März 2006 hat Evergreen Solar über vier Jahre laufende Lieferabkommen mit den deutschen Unternehmen S.A.G. Solarstrom AG und Donauer Solartechnik Vertriebs GmbH im Umfang von 380 Millionen US-Dollar geschlossen. Immer interessanter werden vor dem Hintergrund des Versorgungsengpasses die beschriebenen amorphen und mikroamorphen Siliziumzellen sowie die Dünnschichtmodule aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe).

Auf dem Industrieforum, einen Tag vor Beginn der Intersolar 2006, berichtet Mark Farber, von Evergreen Solar Inc., über das String Ribbon-Verfahren, Dr. Ing. Claas Helmke (United Solar Ovonic Europe GmbH) referiert über Erfahrungen mit amorphem Silizium und neue Konzepte, Fumihiro Tanikawa von dem japanischen Hersteller Kaneka stellt eine neue Generation mikroamorpher Silizium-Solarzellen vor. Über CIS-Zellen sprechen Dr. Franz Karg von Shell Solar und Dr. Bernhard Dimmler von der Würth Solar GmbH. Kundenerfahrungen mit Cd-Te-Modulen sind das Thema von Stephan Hansen, First Solar GmbH.

Weitere Informationen:

Das komplette BINE Themeninfo III/05 kann beim BINE Informationsdienst www.bine.info heruntergeladen werden unter http://www.bine.info/pdf/publikation/themen0305internetx.pdf.
PV-Industrieforum http://www.pvindustry.de/
Solar-Report "Photovoltaik-Forschung und -Entwicklung: Innovationen bei kristallinen Solarzellen und Modulen"


Autoren: Prof. Rolf Brendel und Karsten Bothe, ISFH: Dünnschicht-Solarzelle. Dr. Bernd Rech, IPV/FZJ: Amorphe und mikromorphe Silizium-Solarzellen. Dr. Michael Powalla, ZSW: CIS-Solarzellen. Dr. Stefan Oelting, ANTEC Solar Energy AG: Cadmiumtellurid-Solarzellen. Redaktion BINE Informationsdienst: Johannes Lang, Redaktion Solarserver: Rolf Hug. Der Solarserver dankt dem BINE Informationsdienst und den Autoren sowie den beteiligten Unternehmen und Institutionen für die Erlaubnis zur Internetpublikation.

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