Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschicht-So­lar­zel­len sind So­lar­zel­len, die aus Mikrometer-dünnen Schichten von Silizium oder – in der Dünnschicht-Technologie häufiger als in der Dickschicht-Technologie – alternativen Halbleiter­ma­teria­lien (CIS, CIGS) aufgebaut sind.

Der Gegenbegriff zur “Dünnschicht-Solar­zel­le” ist “kristalline Solarzelle” oder “Dick­schicht-Solarzelle”.

Dünnschichten werden auch außerhalb der Photovoltaik in Industrie und Alltag vielfältig verwendet, z.B. in der Mikroelektronik, bei Lacken, Verspie­ge­lungen, bei DVDs, Rettungs­decken, bei Zahnversiegelung, Brillengläsern und Ver­packungen u.v.a.m., dementsprechend vielfältig ist die Anwendung des Begriffs. In der Halbleitertechnik wird der Ausdruck dünne Schichten oder Dünnschicht für Schichten von festen Stoffen mit einer Dicke von einigen Nanometern (Millionstel Millimetern) bis höchstens einem Mikrometer (Tausendstel Millimeter) verwendet. In der Photovoltaik sind die dünnen Schichten etwas “dicker” – sie betragen 3 µm (bei CIS/CIGS-Solarzellen). Silizium-Dickschicht-Solarzellen, zum Vergleich, sind mindestens 150 µm dick.

Die Schichten können in zwei Kategorien von Verfahren aufgebracht werden:

• Durch Aufdampfen,
• duch Gasabscheidung.

Das Aufdampfen nutzt in verschiedenen Ausgestaltungsformen das Kondensieren eines gasförmigen Materials an einer kühleren Oberfläche (wie Wasserdampf am Fenster); die Gasabscheidung nutzt in verschiedenen Modifizierungen chemische Reaktionen von Gasverbindungen, die bei bestimmten Temperaturen bzw. unter Hinzufügen weiterer Materialien die gewünschte Verbindung auf dem Substrat “abscheiden”.

Da auch in Dickschichtzellen das Sonnenlicht nur bis zu 10 µm tief eindringt, geht bei Fertigung von Dünnschichtzellen, die rund 1/100 der Dicke von kristalllinen Solarzellen aus Wafern besitzen, theoretisch kein Wirkungsraum verloren. Allerdings verändern In den z.T. nur molekulardicken Dünnschichten verändern Materialien oft ihre Eigenschaften. Nicht alle Mechanismen, die dazu führen, sind in der Materialforschung heute schon vollständig verstanden.

Neben verbesserten Eigenschaften sind auch der geringere Energie- und Materialverbrauch und die wenigerschrittige Produktion von Dünnschichtprodukten (beispielsweise entfällt das aufwendige Zurechtsägen der Wafer) wirtschaftlich interessant.

Dünnschicht in der Solartechnologie

Durch das Markt-Anreizprogramm des Erneuerbare-Energien-Gesetzes mit seinem marktbelebenden Wirkhebel, der Einspeisevergütung, ist die Solarindustrie mit hinreichenden wirtschaftlichen Ressourcen, gleichzeitig auch – wegen der schrittweisen Degression der Vergütungssätze und Margen – mit einer starken Motivation versehen, Solarzellen zunehmend effizienter und kostengünstiger zu gestalten.

Dabei wird auch die Dünnschicht-Technologie intensiv vorangetrieben. Dünnschicht-Solarzellen oder -module profitieren von den für Dünnschichttechniken im Allgemeinen geltenden Vorteilen:

• Der geringere Einsatz von Energie, Material und Zeit bei der Produktion erbringt einen finanziellen und energetischen Vorsprung gegenüber dickschichtigen monokristallinen oder polykristallinen Silizium-Solarzellen.
• In der Weiterverarbeitung sind Dünnschicht-Solarzellen ebenfalls interessant. Konventionelle Solarzellen sind untereinander durch Verlötung zu Photovoltaikmodulen verbunden; Dünnschicht-Solarzellen hingegen verfügen über materialinterne Verbindungen, die über die Strukturierung beim Herstellungsprozess integriert werden (für das bloße Auge sind diese Verbindungen kaum sichtbar, so dass aus Dünnschicht-Solarzellen aufgebaute Dünnschicht-Module optisch einen vergleichsweise homogenen Eindruck hervorrufen).
• Dünnschichten sind nicht an statische Untergründe wie Glas oder Aluminiumträger gebunden – dadurch werden sie leichter, was besonders die Statik älterer oder schwächerer Dächer weniger belastet; flexible Träger der Dünnschichten erlauben aber auch eine bisher noch wenig genutzte Formbarkeit.
• Die pseudoquadratische Form gesägter Dickschicht-Wafer vermindert den Wirkungsgrad, da der vorhandene Platz nicht vollständig ausgenutzt wird. Dünnschicht-Solarzellen nutzen den Platz optimal aus.

Zahlreiche Solarunternehmen – darunter die Weltmarktführer Sharp, First Solar, auch Inventux, Masdar PV, Bosch Solar Energy und Showa Shell, Conergy, Abound Solar, Soarion, Sulfurcell, Centrosolar, QS Solar, Avancis, Best Solar, Schott Solar u.v.a. – investieren daher in Dünnschicht-Forschung und/oder -Produktion und erweitern z.T. erheblich ihre Fertigungskapazitäten für Dünnschicht-Module.

Dünnschicht-Materialien

Dünnschicht-Solarzellen werden – mehr als dickschichte monokristalline oder polykristalline Solarzellen – nicht allein aus Silizium, sondern auch aus alternativen Materialien gefertigt; eine größere Variabilität der Herstellungstechniken bewirkt auch eine größere Vielfalt der technischen Designs. Z.B. lässt sich die Tandem-Solarzelle, eine zweischichtige Kombination von Materialien, die in ihren unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums auffangen und zur Solarstromproduktion nutzen, nur in Dünnschicht-Produktion realisieren.

Neben amporphem (nichtkristallinem) Sili­zium werden für Dünnschicht-Solarzellen auch mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, Kupfer-In­dium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen oder Kupfer-Zink-Zinnsulfid verwendet (vgl. CIS / CIGS). Zu den Nachteilen dieser Materialien gehört:

• Sie sind nicht nur – abhängig von den jeweiligen Weltmarktpreisen – zum Teil recht kostspielig, sondern sie sind vor allem teilweise auch giftig bis hochgiftig (Tellur, Selen, Arsen, Schwefel), – dies zieht erhöhte Sicherheitsmaßnahmen bei Transport und Verarbeitung der Rohmaterialien nach sich.
• Inwieweit solche Stoffe zudem unter Betriebsbedingungen (über zwanzigjähriger Gebrauch, Beanspruchung durch hohe Betriebstemperaturen, welchselnde Wetterlagen mit Winterkälte, Hagel, Regen-Outwash etc.) freigesetzt werden können, ist zur Zeit noch nicht abschließend geklärt.
• CIS- oder CIGS-Solarzellen (aus Kupfer-Indium-Selen/Schwefel bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Selen/Schwefel) sind unempfindlich gegen lichtinduzierte Degradation, gelten jedoch unter feuchtwarmen Bedingungen als instabil – sie bedürfen besonders wirkungsvoller und auch unter Dauerbetrieb robuster Versiegelung gegen Feuchtigkeit.

Eignung von Dünnschicht-Solarzellen

Obwohl die Wirkungsgrade spezieller Bauformen von Dünnschicht-Solarzellen in Laborversuchen wie z.B. bei der Tandem-Zelle Rekordhöhen über 40% erreichen, sind industriell wirtschaftlich herstellbare Dünnschicht-Systeme von solchen Zahlen weit entfernt. Gemessen an herkömmlichen kristallinen PV-Systemen liegen Dünnschicht-Solarzellen rund 45 – 60% unter deren Wirkung, nämlich bei durchschnittlichen 9-11% Wirkungsgrad gegenüber 14-18% bei polykristallinen, 17-21% bei monokristallinen Dickschicht-Systemen. Daraus ergibt sich die folgende

Faustregel zur Dünnschicht-Belegung:

Dünnschicht-Module bedürfen der doppelten Fläche von Dickschichtmodulen, um dieselbe Menge Solarstrom zu erzeugen.

Besonders geeignet hingegen sind Dünnschicht-Module – genügend Platz vorausgesetzt – bei teilweiser Verschattung oder in Schwachlichtlagen (z.B. Nordhang).

Ob der Einsatz von Dünnschichtsolarzellen sich lohnt, hängt also von der individuellen Situation ab.

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