Dünnschicht-Solarzellen

Im Gegensatz zu kristallinen Silizium-Solarzellen der ersten Generation (c-Si), die Wafer mit einer Dicke von bis zu 0,2 Millimetern verwenden, bestehen Dünnschichtsolarzellen (2. Generation) aus einer dünnen Schicht (Dutzende von Nanometern bis Dutzende von Mikrometern) aus photovoltaischem Material, das auf ein Substrat (Glas, Kunststoff oder Metall) aufgebracht ist.

Zu den Arten von Dünnschicht-Solarzellen gehören Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und amorphes Dünnschicht-Silizium (a-Si, TF-Si). Dünnschichtsolarzellen können auf Verglasungsmaterial laminiert oder zwischen Glasscheiben eingeklemmt werden, wie beispielsweise in großen Solar-PV-Kraftwerken.

Die Preis- und Flexibilitätssteigerungen wurden durch eine kürzere Lebensdauer und einen geringeren Wirkungsgrad als bei der herkömmlichen c-Si-Technologie ausgeglichen. Die Wirkungsgrade sind gestiegen, CdTe und CIGS liegen nun bei über 21%, was besser ist als das meistverwendete multikristalline Silizium. Der Marktanteil lag nie über 20% und sinkt derzeit.

Die PV-Zellen der dritten Generation umfassen organische und farbstoffsensibilisierte sowie Quantenpunkt-, Kupfer-Zinn-Zinn-Sulfid-, Nanokristall-, Mikromorphoto- und Perowskitsolarzellen.

Im November 2018 gaben das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und das Forschungszentrum für Nanoelektronik (imec) aus Belgien bekannt, dass sie eine Tandem-Dünnschichtsolarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 24,6 Prozent entwickelt haben. Die Tandemzelle besteht aus einer Perowskitz-Zelle von imec und einer ZSW-Solarzelle mit einem Halbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Die Perovskitz-Zelle wurde in Zusammenarbeit mit den belgischen Organisationen EnergyVille und Solliance entwickelt.

Bei der Rekord-Tandemzelle ist die Perowskitsolarzelle über der CIGS-Zelle angeordnet. Die Tandemzelle besitzt vier Anschlüsse und basiert auf einem voll skalierbaren Beschichtungskonzept. So kann der Prozess industriell genutzt werden. Den neuen Spitzenwirkungsgrad erreichten die Wissenschaftler dank mehrerer Innovationen. Zum einen verbesserten sie die Transmission der Perowskitzelle für Licht im Infrarot-nahen Spektrum durch verbesserte transparente Elektroden. Zum anderen vergrößerten sie die Bandlücke des Perowskitmaterials auf 1,72 eV. Die Folge ist ein höherer Wirkungsgrad der Tandemsolarzelle. 

Die CIGS-Zelle mit einer Größe von 0,5 cm2 wurde in der Hocheffizienzanlage des ZSW unter Zuhilfenahme aller optimierten Prozesse hergestellt, die für die Fertigung von CIGS-Rekordzellen erforderlich sind. Weitere Verbesserungen dieser Technologie werden letztlich den Weg für Dünnschichtsolarzellen mit Wirkungsgraden von mehr als 30 % ebnen.

Im Jahr 2016 produzierten China/Taiwan 68% der weltweit neuen PV-Module, während Europa nur 4% (gegenüber 5% im Jahr 2015) und USA/Kanada nur 6% produzierte. Europa installierte 33% (gegenüber 40% im Jahr 2015) der PV-Anlagen und China 26% (gegenüber 21% im Jahr 2015). Die multikristalline Si-Wafer-basierte Technologie macht rund 75% aller PV-Zellen aus.

Solarzellenwirkungsgrad

Best in lab: Siliziumwafer-basierte monokristalline = 26,7%, multikristalline = 21,9%. Dünnschicht: CIGS = 21,7%, CdTe = 21,0%. Hochkonzentrierte Mehrfachsolarzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 46% und Konzentratormodule 38,9%.

CIGS: copper, indium, gallium, selenid. CIGS wird durch Abscheiden einer dünnen Schicht der vier Metalle auf einem Substrat, wie beispielsweise Hartglas oder flexiblem Kunststoff, hergestellt. Der höhere Absorptionskoeffizient des Materials ermöglicht es, die Zelle dünner zu machen als herkömmliche Solarzellen. EMPA (Eidgenössische Materialprüfungsanstalt) und ZSW (Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung, Deutschland) haben beide Wirkungsgrade von über 20% für CIGS erreicht. EMPA erreichte 20,4% Effizienz mit einem Polymersubstrat und ZSW 21,7% mit einem Glassubstrat.

CdTe: Cadmiumtellurid. In Multi-Kilowatt-Systemen hat CdTE niedrigere Kosten als herkömmliche kristalline Silizium-PV. Die kürzere Amortisationszeit ist ein großer Vorteil, aber das Vorhandensein des giftigen Metalls Cadmium verpflichtet den Eigentümer, das Material am Ende der Lebensdauer zu recyceln. Tellur ist auch ein seltenes Metall, so dass das Potenzial dieser Technologie für Großanwendungen begrenzt ist. Die CdTe-Dünnschichttechnologie macht 50% des gesamten Dünnschichtmarktes aus, aber immer noch nur 5% der weltweiten PV-Produktion, obwohl sie in einigen der größten Photovoltaik-Kraftwerke der Welt, wie dem Topaz Solar Farm, eingesetzt wird.

Kristallines Silizium: mehr als 90% der weltweiten PV-Produktion. Seit seiner Einführung um 1990 hat das multikristalline Silizium seinen Marktanteil im Vergleich zu monokristallinem Silizium schrittweise erhöht und etwa 2005 überholt. Im Jahr 2014 betrug der Weltmarktanteil der kristallinen Siliziumzellen rund 90%, wobei Multi-Si 55% und Mono-Si 35% ausmachte. Prognosen zufolge werden Siliziumzellen langfristig weiterhin die dominierende Photovoltaik-Technologie sein und das „Arbeitspferd“ der Stromerzeugung zusammen mit Windkraftanlagen sein.

Kommerzielle waferbasierte Siliziummodule liefern rund 17%, Super-Mono 21%, CdTe 16%. Die energetische Amortisation (erzeugte Energie = Herstellungskosten) beträgt 1 Jahr für Multi-Si-Module in Hochsolarregionen wie Sizilien. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters beträgt nun 98%.

Ende 2016 wurden weltweit Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von 303 GW installiert. Es wird erwartet, dass der jährliche Zuwachs bis 2020 100 GW und die installierte Leistung bis 2030 zwischen 3.000 und 10.000 GW erreichen wird. Im Jahr 2014 lag der Weltmarktanteil der kristallinen Siliziumzellen bei rund 90%. Prognosen zufolge werden Siliziumzellen langfristig weiterhin die dominierende Photovoltaik-Technologie sein und das „Arbeitspferd“ der Stromerzeugung zusammen mit Windkraftanlagen sein.